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

Уникальное сооружение нейтринной астрофизики создается в нашей стране на Северном Кавказе — в долине реки Баксан строится крупная многоцелевая нейтринная обсерватория Института ядерных исследований АН СССР, для нее сооружается четырехкилометровый горизонтальный тоннель с большими лабораторными залами.

Это будут лаборатории с чрезвычайно низким и даже рекордно низким уровнем радиационного фона (рис. 2) — с верху они закрыты тысячеметровой гранитной крышей, а изнутри облицованы особыми сортами бетона с очень слабой собственной радиоактивностью. А снижение фона есть прямой путь к регистрации слабых «сигналов» — в тихой комнате можно услышать тиканье карманных часов, но вряд ли это удастся сделать в салоне самолета.

Нашу экскурсию на Баксанскую станцию комментируют директор Института академик АН Грузинской ССР А. Н. Тавхелидзе, члены-корреспонденты АН СССР Г. Т. Зацепин и А. Е. Чудаков, доктор физико-математических наук А. А. Поманский — физики, отдавшие новому делу годы жизни и мегаджоули энергии. Здесь наверняка уместно вспомнить и коллектив Института ядерных исследований, взявший на себя большой комплекс работ — от расчета сечений ядерных реакций до организации строительства в горных условиях, с тем чтобы крупнейшие в мире установки нейтринной астрофизики стали реальностью. И конечно же, когда речь заходит о Баксанской обсерватории, непременно должно быть названо имя секретаря Отделения ядерной физики АН СССР академика М. А. Маркова, который от самого начала вдохновляет и направляет эти работы как в чисто научном, так и в организационном плане.

Осмотрев входные тоннели и вспомогательные помещения (обсерватория— это не только научные приборы, это еще и системы энергоснабжения, искусственного холода, отопления, вентиляции, обработки данных, транспорта, связи, пожарной безопасности), мы попадаем в первый лабораторный зал. Это владения огромной многоэтажной установки для регистрации космических мю-мезонов высоких энергий и некоторых энергичных нейтрино. Каждый из 3200 детекторов установки (рис. 3) — это бак с жидким сцинтиллятором, в который неотрывно всматривается электронный глаз ФЭУ — фотоэлектронного умножителя. Под действием прорвавшейся в детектор частицы в нем может произойти событие, так физики называют интересующую их ядерную реакцию. В веществе сцинтиллятора событие вызовет слабую световую вспышку, вспышку заметит ФЭУ и выдаст электрический импульс в систему регистрации; если частица прошьет несколько детекторов, то можно будет определить, откуда она пришла и с какой скоростью. Этот гигантский сцинтилляционный телескоп будет участвовать в целом комплексе астрофизических исследований.

Во второй лабораторный зал мы не пойдем по уважительной, наверное, причине — туда еще не добрались строители, и этот зал существует пока лишь в виде чертежей, планов и опытных образцов аппаратуры. Мы видим действующую модель будущего гигантского хлор-аргонового детектора — это будет бак высотой с трехэтажный дом и длиной более 30 м (рис. 2, А). В баке — 3000 т тетрахлорэтилена, в 5 раз больше, чем у Девиса; это позволит более точно оценить количество некоторых разновидностей солнечных нейтрино.

На действующей модели видны все основные этапы извлечения атомов аргона (рис. 4): тетрахлорэтилен продувается гелием и из бака выходит смесь газов; в нее входят и единичные атомы аргона-37, образовавшиеся из хлора под действием нейтрино; для начала смесь газов охлаждают, тетрахлорэтилен конденсируется и возвращается обратно в бак; оставшиеся газы дополнительно очищаются, проходя через молекулярное сито; затем все инертные газы собирают в большую ловушку из активированного угля; сравнительно маленькие атомы гелия беспрепятственно проходят через ловушку и возвращаются обратно в бак. Это уже физика плюс экономика. После нескольких недель экспонирования, нескольких часов продувки систему на короткое время перекрывает заслонкой 31 и перегоняют смесь газов в малую ловушку, а ее переносят в другую установку; здесь хромотографическая колонка отделяет аргон от других инертных газов, а титановый фильтр окончательно очищает его; аргон-37 — элемент неустойчивый, он постепенно распадается, и каждый распад регистрируется сверхчувствительным счетчиком; чтобы исключить ложные срабатывания счетчика, его защищают массивными металлическими экранами и, кроме того, окружают сцинтилляционными счетчиками. Если они срабатывают одновременно с основным, значит, событие вызвано какой-то внешней помехой и импульс не засчитывается. Импульс засчитывается только в том случае, если при срабатывании основного счетчика остальные молчат. Это значит, что срабатывание вызвано не внешним, а внутренним событием — распадом аргона.

Даже в этом гигантском детекторе солнечные нейтрино будут создавать в неделю всего несколько атомов аргона-37. Чтобы собралось заметное количество этих атомов, хлор приходится экспонировать около месяца (чем меньше яркость объекта, тем большую выдержку устанавливает фотограф). Подсчет числа атомов тоже длится довольно долго — период полураспада аргона-37 почти 35 дней.

Во втором лабораторном зале будут еще два нейтринных телескопа (рис. 2, Б, В): один — с галлиево-германиевым детектором, а второй — с большим сцинтилляционным детектором, он позволит изучать вспышки сверхновых звезд по резким всплескам нейтринного излучения.

В галлиево-германиевом детекторе (его предложили и обосновали советские физики) в принципе происходит то же, что и в хлор-аргоновом: нейтрино превращает атом галлия-71 в атом германия-71 обычным своим приемом — превратив один из нейтронов атомного ядра в протон, т. е. увеличив на единицу положительный заряд ядра (рис. 6); германий-71 выделяют подобно тому, как раньше выделяли аргон; подсчитывают все атомы германия и узнают таким образом число пойманных нейтрино. Но вот что очень важно — порог «срабатывания» у галлия примерно 0,2 МэВ, т. е. значительно ниже, чем у хлора. И практически все виды солнечных нейтрино, в том числе и нейтрино от рр-реакции, могут быть зарегистрированы галлиево-германиевым детектором — лишь несколько человек в мире могут перепрыгнуть через двухметровый барьер, но перешагнуть через полуметровый барьерчик сумеет любой из нас. Очень может быть, что именно этот инструмент внесет ясность в нынешнюю, мягко говоря, запутанную картину солнечных циклов.

Эпилог. Каждый, кто когда-нибудь пытался отвернуть большой проржавевший болт перочинным ножичком, понял, наверное, что такое инструмент. Хороший, совершенный инструмент — это первая мечта и первая забота токаря, монтажника, хирурга. И конечно, ученого, исследователя — как часто он видит путь к великому открытию и только ждет инструмента, без которого невозможно продвинуться от драматичного «я так думаю» к спокойному «я это знаю».

Физики связывают немало надежд с созданием уникальных научных инструментов Баксанской нейтринной обсерватории. Вот лишь несколько строк из последних научных публикаций:

— новые нейтринные телескопы помогут понять важные детали процессов, которые происходят в центре Солнца, определить структуру его глубинных областей, получить точные данные о давлении и температуре;

— могут появиться новые данные для прогнозов солнечной активности;

— могут выясниться подробности эволюции звезд, такие, например, как образование массивного железного ядра, взрыв сверхновой или катастрофическое сжатие звезды в «черную дыру»;

— скорее всего только нейтринная астрономия поможет выяснить, осциллируют ли нейтрино: нейтрино от ускорителей слишком быстро попадают в детектор, заметные изменения свойств нейтрино за такое короткое время, возможно, и не успеют произойти;

— нейтринные телескопы, возможно, обнаружат некоторый остаточный нейтринный фон, нейтрино гигантских энергий, блуждающие в космосе миллиарды лет и хранящие сведения о далеком прошлом Вселенной — об эпохе формирования галактик и звезд.

И еще одна возможность, в последнее время о ней часто напоминают зловещие слова «энергетический кризис».

Сейчас, как медные пятаки на ладони, мы считаем оставшиеся на Земле запасы угля и нефти, в то время как где-то в наших карманах лежит банкнота миллионного достоинства. Вот несколько цифр: если бы Солнце светило за счет сжигания химического топлива и целиком состояло из чистого кислорода и лучших сортов угля, то всей солнечной массы хватило бы лишь на 1500 лет горения. В то же время термоядерные реакции, израсходовав лишь 1 % солнечной массы, могли бы поддерживать нынешнюю яркость нашей звезды на протяжении 10 млрд. лет.

Изучение солнечного термояда, проникновение в недра других звезд, в их термоядерные реакторы — это не только прорисовка важнейших деталей в нашей картине мира. Вполне вероятно, что это еще и шаги к решению первейшей житейской задачи — к изысканию новых источников энергии.