В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся] - Рудольф Сворень

Нетрудно догадаться, что для проведения нейтринных экспериментов нужно создать поток нейтрино, нужно очистить его от всех других частиц и нужно терпеливо ждать «событий» — столкновения нейтрино с ядерными частицами. Но от общей схемы, от этих, казалось бы, простых «нужно» лежит трудный и долгий путь до реальных установок, реальных экспериментов.

Вот несколько штрихов, дающих представление о подготовке к нейтринным экспериментам на Серпуховском ускорителе. Рассказывают создатели нейтринной установки, участники первых экспериментов на ней.

Доктор физико-математических наук Альберт Иванович Мухин, руководитель лаборатории Института физики высоких энергий:

— Идею нейтринных экспериментов на ускорителях еще в шестидесятых годах выдвинули академики Моисей Александрович Марков и Бруно Максимович Понтекорво. Однако понадобились годы, прежде чем идея была реализована. Основной элемент любой установки для таких экспериментов — это, конечно, сам ускоритель, который дает пучок протонов высокой энергии — у нас до 70 ГэВ. Протоны бомбардируют алюминиевую мишень, и из нее вылетают потоки разных частиц, в частности пи-мезоны (π+) и ка-мезоны (К+). Пролетев некоторое расстояние, и те и другие распадаются (см. рис.) на мю-мезоны и нейтрино (μ + v).

Частицы, вылетавшие из алюминиевой мишени, пробегают по длинной (150 м) вакуумной камере, и за время этого пробега происходит очень много распадов, рождающих нейтрино. Так создается поток нейтрино, но, конечно, не в чистом виде, а в смеси с огромным количеством других частиц.

На пути из вакуумной камеры к регистрирующим устройствам частицы должны преодолеть железный фильтр толщиной 66 м. Нейтрино пронизывают его легко и просто, для всех же остальных частиц этот фильтр практически непреодолим. В итоге на выходе фильтра получается практически идеально чистый поток нейтрино. Вся установка окружена железным экраном с общей массой 20 тыс. т — по массе это большой океанский. лайнер.

Доктор физико-математических наук Виталий Сергеевич Кафтанов, руководитель лаборатории Института теоретической и экспериментальной физики:

— Мишени, в которые направляют поток нейтрино, — это квадратные стальные плиты со стороной 2,2 м, толщиной 12 см. Всего таких плит на установке 24, нейтринный поток последовательно пронизывает их одну за другой. В промежутке между каждыми двумя соседними плитами находятся детекторы частиц— искровые камеры. Это фактически трехпластинчатые конденсаторы с высоким напряжением (30 кВ) между пластинами. Пролет нейтрино в таких детекторах, конечно, не регистрируется. Но когда в какой-нибудь стальной пластине нейтрино налетит на ядерную частицу, то их взаимодействие будет точно зафиксировано— новые частицы, рожденные этим взаимодействием, пролетая между пластинами «конденсатора», на своем пути ионизируют газ, и по их невидимому следу проскакивает тонкая искра, которая фотографируется или регистрируется фотоэлектронным устройством. Примечательно вот что. В любых других ядерных экспериментах регистрируется очень много «событий» — столкновений, распадов и т. п. — и потом из сотен тысяч фотографий отбирается несколько нужных. В нейтринных экспериментах посторонних «событий» нет, регистрирующие приборы в основном все время молчат. Но когда они наконец срабатывают, то это почти всегда означает, что произошло истинно нейтринное «событие» — какое-то нейтрино попало в ядро. В первом цикле экспериментов за три недели было зарегистрировано несколько тысяч таких «событий».

Доктор физико-математических наук Александр Васильевич Самойлов, руководитель лаборатории Института физики высоких энергий:

— Одна из главных характеристик установок для нейтринных экспериментов — это частота следования «событий». Желательно, чтобы «события» происходили как можно чаще — здесь, очевидно, пояснений не требуется. Частота «событий» зависит от плотности нейтринного потока, а значит, от многих факторов: от энергии протонов, направленных из ускорителя на алюминиевую мишень, от интенсивности протонного пучка. И еще от конфигурации потока пи-мезонов и ка-мезонов, из которых в итоге образуется поток нейтрино. Если собрать, сконцентрировать пи-мезоны и ка-мезоны, не давать им разлетаться по сторонам, а направить их в сторону стальных плит-мишеней, то и поток нейтрино в этом направлении станет «гуще», а значит, чаще будут происходить и регистрироваться «события».

Для фокусировки потока частиц в вакуумной камере перед ней установлены магнитные параболические линзы. Нужные нам пи-мезоны и ка-мезоны имеют положительный электрический заряд, и поток этих частиц есть не что иное, как электрический ток. Ну а на ток можно влиять магнитным полем.

Фокусирующие линзы (всего их четыре; частицы последовательно проходят одну линзу за другой) сделаны из тонкого металла (толщина несколько миллиметров) и чем-то напоминают песочные часы, положенные набок, — каждая линза имеет форму двух параболоидов вращения, соприкасающихся своими вершинами. Если по такой линзе пропустить ток, то в ней возникает магнитное поле, сжимающее поток частиц. Частицы, вылетевшие из алюминиевой мишени, имеют очень большую энергию, и, чтобы сфокусировать их, по линзе пропускают ток до 500 кА. При этом на линзу обрушиваются огромные механические нагрузки (до 100 кН). Уже эти цифры говорят о трудностях создания линз для нейтринного эксперимента. Однако трудность задачи вполне окупается результатом — сильно расходящийся поток частиц становится практически параллельным.

Так вот, фокусирующие линзы в 10 раз обогатили нейтринный поток, или, проще говоря, в 10 раз увеличили среднее число нейтрино, попадающих в стальные листы-мишени. А значит, в 10 раз повысили число «событий» в единицу времени. Но, может быть, даже важнее другое: если изменить направление тока в обмотках линзы, то она будет фокусировать не частицы π+ и К+, а частицы π- и К-, т. е. частицы с отрицательным электрическим зарядом. А эти частицы, распадаясь, рождают уже не нейтрино, а антинейтрино. И экспериментатор нажатием кнопки (это, конечно, некоторое упрощение, но не принципиальное) может сменить тип наблюдаемых ядерных превращений. И еще: меняя силу тока в фокусирующих линзах, можно в конечном итоге менять энергию нейтрино, что тоже важно для экспериментаторов.

Доктор физико-математических наук Кирилл Петрович Мызников, руководитель лаборатории Института физики высоких энергий:

— Машинное время всякого ускорителя очень дорого, тем более такого, как серпуховской гигант. И не только потому, что столь сложная машина не должна «крутиться» вхолостую. Главное в том, что есть очень много желающих работать на нашей машине, проверять алгеброй эксперимента гармонию идей. А сутки, как известно, не растягиваются.

Вот почему всякая новая экспериментальная установка должна вписаться не только в схему, но и в ритм ускорителя. Так, в частности, сгустки ускоренных протонов (ускоритель, как известно, работает в импульсном режиме) распределяются между несколькими экспериментальными установками, несколькими группами исследователей примерно по такому принципу: «один импульс тебе, другой — мне, третий — ему…». Практически, конечно, машинное время делится иначе, но к ускорителю всегда подключено несколько установок, и протонный пучок необходимо коммутировать, переключать. А это не так-то просто, если учесть огромную энергию протонов. Даже просто сбрасывать этот пучок с кольца, спрямлять его, направляя в экспериментальные установки, приходится в два приема — коротким сильным «ударом» пучок заставляют колебаться, а затем в удобный момент его отгибают в нужную сторону.

Всякое управление протонным пучком осуществляется с помощью магнитных полей, в принципе так же, как и управление электронным лучом в телевизионном кинескопе. Но конечно, масштабы, цифры у нас совсем иные. Вот некоторые из них.

От самого ускорителя до экспериментальной установки протонный пучок проходит 160 м, совершая при этом несколько поворотов. Диаметр пучка в фокусе 2 мм, в каждом протонном импульсе около 1012 частиц с полной энергией, т. е. с энергией до 70 ГэВ. Пучок очень концентрированный — в ореол диаметром около 51 см попадает лишь 0,1 % частиц. Потери протонов на всем пути от ускорителя до нейтринной установки не превышают 0,5 %. Столь высокая эффективность передачи пучка необходима по ряду причин, в частности она позволяет снизить требования к радиационной защите.

Есть и другая группа задач — всю исследовательскую аппаратуру необходимо синхронизовать с появлением протонного импульса. Нужно, например, чтобы синхронно включались магнитные линзы, подавалось напряжение на пластины искровых камер, включались регистрирующие приборы. Причем все это должно срабатывать надежно, с микросекундной точностью. И переключать нужно огромные мощности — суммарная мощность наших систем, работающих лишь на нейтринный канал, достигает миллиона ватт, аппаратура питания, управления протонным пучком и его переключения занимает целый трехэтажный корпус, буквально набитый самой современной электроникой.