100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как в подземельях Кавказских гор ловят нейтрино

Поселок Нейтрино, Земля, Млечный путь. Как ученые Баксанской нейтринной обсерватории изучают самые загадочные частицы

Нейтрино (не путать с нейтроном) — это очень-очень легкая частица, знаменитая тем, что она, можно сказать, еще более нейтральна, чем нейтрон. У нейтрино нет заряда, и они не взаимодействуют с заряженными частицами (например, электроном -1 и протоном +1), кроме того, в отличие от нейтрона, нейтрино не участвуют в сильных взаимодействиях — одном из четырех типов фундаментальных взаимодействий. Ежесекундно через каждый квадратный сантиметр нашего тела проходит 60 миллиардов нейтрино, испущенных Солнцем, а мы этого не чувствуем и не замечаем. И не только мы: большая часть солнечных нейтрино пролетят через всю видимую часть Вселенной, не взаимодействуя ни с чем.

Тем не менее пренебречь существованием этой частицы нельзя: она является активным участником ядерных реакций. В начале XX века ученые еще не знали о нейтрино, и при изучении бета-распада (распад с выделением электронов) у них не сходился «дебет с кредитом»: часть энергии «улетучивалась». Дошло до того, что сам Нильс Бор предположил, что один из фундаментальных законов Вселенной — закон сохранения энергии — неверен. Ситуацию спасли Вольфганг Паули и Энрико Ферми: они предположили существование (и возникновение при бета-распаде) пока неизвестной физикам частицы, которая уносит «исчезающую» энергию. Между предположением о нейтрино (1930 год) и его первым экспериментальным наблюдением (1942 год) прошло более 10 лет. И еще 40 лет понадобилось, чтобы дело дошло до Нобелевской премии: за открытие нейтрино ее получили в 1988 году Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер. Позже за нейтрино были вручены еще две Нобелевки, в том числе в 2015 году — узнать, за что именно ее вручили, можно в объяснительном тексте «Чердака».

Найти «невидимку»

Из-за особенностей этой частицы изучать ее чрезвычайно сложно: как поймать нейтрино, если они ни с чем не взаимодействуют и одновременно находятся в «каше» из десятков других частиц, бомбардирующих и Землю, и космос? Выделить эти частицы из всего потока более тяжелых и, соответственно, взаимодействующих с материей частиц и стало первой задачей физиков. Как этого добиться? «Спрятаться» от потока электронов, мюонов, протонов, альфа-частиц и более тяжелых ядер за каким-нибудь тяжелым природным щитом — подо льдами Антарктиды, под толщей вод океана или под горой?

Именно по последнему пути еще в конце 50-х годов прошлого века пошли советские физики, задумавшиеся о создании специализированного подземного комплекса для проведения фундаментальных исследований в области нейтринной астрофизики и физики космических лучей. Под руководством академика Моисея Маркова были выполнены теоретические расчеты, и начался поиск подходящих горных выработок, которые можно использовать, не прокладывая специальные тоннели. Это стандартный путь: например, итальянская нейтринная лаборатория под горами Гран-Сассо находится в ответвлении автомобильного тоннеля, связывающего адриатическое и тирренское побережья страны.

19 июня 1963 года было принято решение о строительстве подземной станции. Место для будущей обсерватории (нейтринные лаборатории называют обсерваториями потому, что они изучают частицы космических лучей, то есть именно наблюдают, а не ставят лабораторный эксперимент) было выбрано недалеко от горы Эльбрус, в Баксанском ущелье в Кабардино-Балкарии. Строительство началось в 1967 году. Исследовательский центр размещается в двух параллельных горизонтальных тоннелях в горе Андырчи (высота горы более 4000 м) длиной около 3,5 км каждый — они построены московскими метростроевцами из специального низкорадиоактивного бетона, чтобы излучение, даже минимальное, не вносило помехи в показания телескопов. Фон от космических лучей (тех самых «мешающих» частиц) снижается по мере углубления под землю, и в конце тоннеля он почти в 107 раз ниже, чем на поверхности.

БНО: вчера, сегодня, завтра

Работа Баксанской нейтринной обсерватории ведется в двух штольнях. В правой (вспомогательной) проложена узкоколейная железная дорога, по которой ходит электровоз с вагончиками. Левая штольня — рабочая, то есть главная. Между штольнями построены «залы», в которых размещается научное оборудование. В настоящее время работает лаборатория низкофоновых исследований и две крупные установки — галлий-германиевый нейтринный телескоп и подземный сцинтиляционный телескоп. Последний разделен на четыре этажа из-за своего огромного размера.

«У этих установок разные задачи — как у электромобиля и трамвая, которые, хоть и используют электричество, являются совсем разными видами транспорта, — говорит заместитель директора Института ядерных исследований РАН (организация, частью которой является Баксанская нейтринная обсерватория) Григорий Рубцов. — Галлий-германиевый телескоп «ловит» нейтрино от Солнца. В Солнце идут термоядерные реакции, в том числе так называемый протон-протонный цикл, в ходе которого водород превращается в гелий и выделяется основная часть энергии. В этой реакции образуются нейтрино относительно невысокой энергии, не более 0,6 мега-электрон-вольт (МэВ). Солнечные нейтрино «бомбардируют» галлий в детекторе, и он превращается в германий в реакции, обратной по отношению к бета-распаду. Нейтрон плюс нейтрино образуют протон плюс электрон — так возникает новое ядро. Галлий-германиевый нейтринный телескоп имеет рекордно низкий порог регистрации: в реакции участвуют все нейтрино с энергией выше 0,223 МэВ».

Примерно раз месяцев галлий достают, из него химически выделяют фракцию, содержащую значительную долю германия, а затем наблюдают за распадами и считают число образовавшихся атомов германия. Таким образом, наблюдение осуществляется не в реальном времени, а интегрально по месяцам, с помощью прецизионного радиохимического метода. Эксперимент очень точный и важный: именно он позволил подтвердить, что Солнце светит за счет термоядерной энергии.

В отличие от галлий-германиевого телескопа, Баксанский подземный сцинцилляционный телескоп (БПСТ) — эксперимент в реальном времени. «Он регистрирует нейтрино более высоких энергий, от 10 МэВ до ГэВ и выше, — уточняет Рубцов. — Нейтрино такой энергии имеют иное происхождение: они могут рождаются в атмосфере Земли при прохождении через нее космических частиц, возникать в результате каких-либо астрономических событий, например взрыва сверхновой. Кроме того, нейтрино могут образоваться в результате аннигиляции частиц темной материи в Солнце или Галактике или в результате новых физических взаимодействий. Детектор объемом три тысячи кубических метров регистрирует не сами «невидимые» нейтрино, а каскад частиц, который возникает при взаимодействии этих нейтрино с веществом в пределах детектора или вокруг него. Так, БПСТ зарегистрировал сигнал от взрыва сверхновой SN 1987A в диапазоне энергий 12—23 МэВ».

Читайте так же:
Как устроен самолет Ан-124-100 «Руслан»

Работы по вводу научного оборудования в БНО не завершены: в конце 2008 года в дальнем конце штольни введена в строй низкофоновая лаборатория: дополнительно к толще горы и бетона камера лаборатории экранирована свинцом, полиэтиленом, борированным парафином, бескислородной медью и другими подобными материалами. Вводится в строй установка BEST, которая будет изучать нейтрино от искусственного источника — изотопа хрома-51, который распадается посредством электронного захвата. Источник поместят в центре двух концентрических сфер с 50 тоннами галлия (диаметр внешней сферы — около двух метров), и ученые смогут посчитать, сколько событий происходит во внешней и внутренней сферах. Наземная установка «Ковер» — тоже часть обсерватории, она регистрирует космические лучи высоких энергий.

Постоянный штат обсерватории живет в специально построенном при создании обсерватории поселке Нейтрино.

Постоянное население поселка — около 600 человек. Он находится в долине реки Баксан и входит в Эльбрусский район с центром в городе Тырныаузе. Часть сотрудников живет в Тырныаузе, на работу (около 25 км) их возит служебный автобус. Многие сотрудники ИЯИ РАН и ГАИШ МГУ занимаются исследованиями в Баксанской нейтринной обсерватории, но работают в Москве, часто приезжая на Кавказ для проведения экспериментов. Благо, в последние несколько лет обстановка в этом районе спокойная.

Пролетая над гнездом нейтрино

Расположен этот объект на Северном Кавказе в Кабардино-Балкарии. Не так давно участники диковинной научной лаборатории замахнулись на еще большее "чудо" — запустить эксперимент, который первооткрывателю гарантированно принесет Нобелевскую премию.

Баксанскую нейтринную обсерваторию проезжали многие горнолыжники, которые посещали Приэльбрусье. На подъезде к главному зимнему курорту страны в череде названий населенных пунктов с местной топонимикой выделяется табличка "Нейтрино". Встретить ее можно в 26 километрах от бывшей столицы кавказских горняков — города Тырныауза. С дороги мало что удастся разглядеть, только несколько строений справа от дороги. Это научные корпуса и жилые дома, где живут те, кто трудится в недрах горы. Главный же объект слева от трассы на другом берегу реки — Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований Российской академии наук.

Фото: Сергей Михеев

Здесь вглубь горного массива под вершину Андыртау проложен тоннель длиной около 4800 метров. Такое расположение не случайно — так удалось защититься от фонового излучения, которое мешало проводить эксперименты.

Нейтринная обсерватория объединяет несколько различных проектов в области ядерной физики. Один из них — Галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ). Говорить о классической трубе с зеркалами и линзами не приходится. Установка состоит из 50 тонн галлия, легкого металла с температурой плавления 30 градусов. Он помещен в реакторы, где и взаимодействует с нейтрино-элементарной частицей без заряда, которая практически не вступает во взаимодействие с веществом.

На протяжении десятилетий здесь регистрируют нейтрино, испускаемое ядром Солнца. Как признается физик, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Валерий Горбачев, научный эксперимент превратился в рутину. Поэтому ученые и задумали провести новый — Baksan Experiment on Sterile Transitions. Или коротко BEST. Потенциал у эксперимента серьезный — первый, кто откроет новую частницу, может рассчитывать на Нобелевскую премию в области физики.

— Науке известны три типа нейтрино — электронные, мюонные и тау-нейтрино. И они могут превращаться друг в друга, когда проходят большие расстояния. Есть также гипотеза о существовании четвертого типа — стерильного нейтрино, которое вообще не взаимодействует с веществом, — рассказывает Горбачев.

Фото: Сергей Пятаков / РИА Новости

Именно стерильные нейтрино тут и собираются искать.

Новая установка будет представлять собой бак с радиоактивным источником, в который перекачают 50 тонн галлия. Изотопы будут испускать нейтрино, которое станет превращать галлий в германий. А дальше — привычная процедура подсчета новообразовавшихся атомов.

А вот не взаимодействующие с веществом стерильные нейтрино будут искать. по их отсутствию. Когда ученые ожидают обнаружить определенное количество событий, а фактически их оказывается меньше, резонно предположить, что недостающее количество взаимодействий приходится на эти неуловимые частицы. Конечно, предварительно нужно избавиться от всех побочных факторов, которые могут привести к таким же результатам и внести смуту в подсчеты.

Для нового эксперимента уже есть большая часть необходимого оборудования: бочка и 50 тонн галлия. Осталось лишь дождаться, когда будет готов радиоактивный изотоп — хром-50.

— Для запуска проекта нам нужно 350 миллионов рублей. Сумма эта не такая большая, как может показаться, тем более что научные результаты мы получим уже спустя пять лет после запуска проекта, — поясняет физик.

Институт ядерных исследований РАН координирует реализацию проекта BEST, коллаборация которого насчитывает 26 исследователей, представляющих 15 научных организаций России, Германии, США, Канады и Японии, а ведущая роль принадлежит российскому ИЯИ РАН. Однако по заявлению сотрудника ГГНТ Татьяны Ибрагимовой, другие страны участвуют исключительно как консультанты, и финансовой помощи от них нет.

— Желают участвовать в проекте много стран, но это именно что желания. Нам помогают сугубо научной мыслью. Финансирование исключительно российское, с которым существуют проблемы. Главная причина — это преобразование весной этого года министерства образования и науки в два отдельных органа. Это усложнило выделения средств.

Большая часть денег нужна для получения изотопа. В стенах ГГНТ уже все готово для эксперимента. Ожидается, что новый искусственный источник нейтрино на основе радиоактивного изотопа хром-51 будет готов к середине 2019 года, а результаты эксперимента BEST будут опубликованы в 2020 году.

В обсерватории сейчас ждут источник нейтрино — радиоактивный изотоп хром-50. Его изготавливают на Электрохимическом заводе в Красноярском крае. Технологический процесс трудоемкий, так как нужного изотопа в природном хроме всего четыре процента, а для эксперимента требуется не менее 97 процентов.

Читайте так же:
Как работает в России крупный китайский производитель смартфонов

Но специалисты с поставленной задачей справились. Чистота произведенного вещества составила 98 процентов. Полностью к эксперименту хром-50 будет готов в середине следующего года, когда его перевезут в Кабардино-Балкарию.

Самая первая постройка под горой Андыртау — Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп. Он появился здесь в 1977 году.

Телескоп представляет собой сооружение высотой в четырехэтажное здание. Он состоит из баков, заполненных керосином, в котором растворен сцинтиллятор — вещество, способное излучать свет, когда в него попадает заряженная частица. В каждый бак вставлен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Всего их 3186 штук. Изнутри бак покрыт белой эмалью, которая отражает фотоны.

Нейтрино — одна из фундаментальных частиц, у которой нет заряда. Поэтому она участвует только в слабом и гравитационном взаимодействии. Если со вторым все понятно, то первое происходит, когда нейтрино попадает точно в атомное ядро, что происходит крайне редко.

Каждую секунду через участок в один квадратный сантиметр пролетают 6 x 1010 нейтрино, испущенных только Солнцем, хотя попадают они к нам со всей Вселенной. Однако ни мы, ни окружающие нас предметы и существа никак не ощущаем их присутствие. Именно поэтому регистрировать этих космических странников очень сложно.

Как в подземельях Кавказских гор ловят нейтрино

В Нейтрино восемь жилых домов, но большая часть жителей обитает в двух девятиэтажках на высоком берегу реки Баксан. Когда-то в поселке, построенном для ученых подземной обсерватории, проживало около 800 человек. Сейчас количество нейтринцев сократилось до трехсот семидесяти, треть из них — сотрудники Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.

Текст: Светлана Самсонова

Нейтрино находится всего в 30 километрах от вершины Эльбруса. К поселку ведет единственная асфальтированная дорога — трасса, которая упирается в вечный ледник в районе поляны Азау. Если сойдет лавина или оползень, выбраться из поселка можно будет только горными тропами.

Подняться в поселок можно пешком по асфальтовой дороге или по металлической лестнице из 289 ступеней. На другом берегу реки Баксан находится административный корпус Баксанской нейтринной обсерватории (БНО), которой поселок обязан своим появлением и названием — в честь элементарной физической частицы, которую изучают местные физики.

Нейтрино начали строить одновременно с БНО в 1967 году, а обсерваторию закончили строить к середине 1980-х. Одна из пяти лабораторий расположена на поверхности, остальные четыре — в четырехкилометровых горизонтальных штольнях под горой Андырчи.

В подземной лаборатории изучают нейтрино, прилетающие из космоса, а на склоне горы Андырчи работает одноименная установка, предназначенная для изучения химического состава первичных космических лучей. В камере с галлий-германиевым нейтринным телескопом измеряют поток нейтрино, прилетающих от Солнца. Есть еще низкофоновая лаборатория, которая занята поиском двойного бета-распада ядер, обнаружение и изучение которого может дать ценные сведения как о структуре ядер, так и о массе нейтрино.

— Почему именно здесь построили обсерваторию? — переспрашивает физик и бывший инженер-экспериментатор БНО Сергей Гирин. — Эта гора из твердой породы, а это значит, что не будет обрушений. Горизонтальные штольни экономически более выгодны: не надо строить подъемники, не нужен ремонт и дополнительный персонал, оборудование можно завозить на грузовиках. У горной породы Андырчи ниже радиоактивный фон, по сравнению с другими горами. А поселок стоит на возвышенности Баксанского ущелья, напротив обсерватории — это место идеально для населенного пункта.

Обсерватория — градообразующее предприятие: из 370 жителей, которые сейчас постоянно живут поселке, 130 — ученые и технический персонал БНО. Когда-то здесь жило более 800 человек, но со временем многие уехали из-за отсутствия работы.

Добротные дома на смену временным баракам построили в середине 70-х годов — так в Нейтрино появились четыре двухэтажки. В 1982 году появилась первая «высотка» — дом в девять этажей на 72 квартиры. Спустя 5 лет построили еще одну.

Школу построили в 1985 году, когда-то в поселке был отдельный детский сад. Сейчас поселковые библиотека, школа и сад соседствуют под одной крышей.

— У нас есть еще два коттеджа, в них живут командированные ученые из Москвы, — рассказывает школьный библиотекарь Мариям Джаппуева. Она живет в пятиэтажке. — В Нейтрино мы перебрались из Тырнауза. Мой отец строил дома в поселке и говорил мне, что если вдруг когда-нибудь будут продавать эти коттеджи, покупай нижний, а то в верхнем камин плохо сложен.

Мариям говорит, что люди разъезжаются из Нейтрино, потому что здесь скучно. Из всех развлечений в поселке осталась только ее библиотека, да и то сюда почти никто не ходит, кроме школьников.

— Да и работы у нас нет. Устроиться, кроме БНО, можно только в школу, на почту, в ЖЭК. Пожалуй, и все, — вздыхает женщина.

Она с удовольствием показывает школьный фотоальбом и рассказывает о судьбе некоторых бывших учеников. На одном из снимков выпускного класса — всего два ребенка и с десяток учителей.

— Это мой сын Кельмет. Он несколько лет был единственным учеником в классе. Сейчас Кельмет работает на Азау спасателем, а выходные проводит в Тырнаузе — у нас сходить даже некуда.

В Нейтрино не только сходить некуда, но и негде получить медицинскую помощь. В прошлом году здесь закрыли амбулаторию, которая находилась в ведении Института ядерных исследований РАН.

— Нейтрино строился рядками, — вспоминает Кузьминов. — За все годы работы в БНО через лабораторию прошло 4—5 составов сотрудников. Но здесь остаются только те, кому интересно. Сейчас в поселке стало меньше удобств. Вот амбулаторию закрыли.

Но главное, что исчезло из Нейтрино — люди.

— И не только в Нейтрино, во всем Баксанском ущелье, — говорит ученый. — В том же Тырныаузе (в городе когда-то был крупный завод по добыче и обогащению вольфрам-молибденовых руд, с его закрытием экономика Тырнауза пришла в упадок — прим. авт.). Чтобы люди оставались, нужны условия. Перспективы развития нашего поселка, конечно, есть. Но для этого нужен интерес, в первую очередь власти. Например, поднять престиж района или решить достойные научные задачи. У БНО есть такие задачи, но они очень дорогие. Пока ресурсов на их воплощение нет.

Читайте так же:
Как работают очистные сооружения

8 марта 1944 года балкарцев выслали из родных мест в Казахстанскую и Киргизскую республики. После 13 лет депортации семьям разрешили вернуться на Кавказ.

Текст: Анастасия Палихова

В годы Великой Отечественной войны фашисты проходили через Баксанское ущелье, чтобы водрузить флаг над Эльбрусом. Они захватили поселения, в том числе аул Губасанты, на территории которого сейчас находится поселок Нейтрино. Летом 1942 года немцы оккупировали всю территорию Кабардино-Балкарии.

Лаврентий Берия представил И.В. Сталину доклад, в котором, сгустив краски, рассказал о бандитизме и антисоветских элементах в Приэльбрусье и предложил наказать народ за пособничество фашистам. Всех без исключения балкарцев, включая инвалидов войны, партийных и комсомольских руководителей всех рангов, объявили изменниками родины и принудительно переселили в Казахстанскую и Киргизскую АССР. Пока мужчины-балкарцы воевали на фронте за родную страну, власти обвинили оставшихся дома женщин, детей и стариков в неспособности защитить свои земли от врага и выслали их из республики. Операция держалась в строжайшем секрете вплоть до 8 марта 1944 года, когда специально сформированные отряды ворвались в первые балкарские дома.

Шахадат Муратова Хаджиева (в девичестве Тилова) — коренная жительница Губасанты, пережившая депортацию. Она не говорит по-русски, общаться нам помогает ее сноха. Шахадат было 13 лет, когда среди ночи ее затолкали в грузовую машину и навсегда увезли из родного дома.

— Когда нас переселяли, я была слишком мала, чтобы понять, что именно происходит. Я даже радовалась: увижу железную дорогу, на поезде поеду. Я не знала, что нас ждет.

Схема была отработана: подобным образом уже депортировали чеченцев, ингушей, а в ноябре 1943 года — карачаевцев. Балкарцы не верили слухам о депортации своих соседей. Они иронично говорили: «Кто сможет выселить всю Балкарию?»

Из села Губасанты были высланы: 49 семей, 217 человек.

«Откуда им, потомственным скотоводам, было знать, что создана невиданная в истории машина переселения, состоящая из сотен паровозов, тысяч вагонов, массы солдат в одном конце и тысяч саней и телег, с впряженными в них голодными быками и коровами, и прочего гужевого транспорта, голодными погонщиками и новыми комендантами, толком еще не знающих своих обязанностей, — в другом.

Балкарцы не знали, что более многочисленные чем они народы уже обживают бескрайние просторы внутри печального треугольника Казахстан — Сибирь — Средняя Азия, что карачаевцы, в выселение которых им так упорно не верилось, уже рыли в голодных степях Средней Азии землянки для них и могилы для себя».

Бориса Темукуев, «Спецпереселенцы»

Ранним утром 8 марта 1944 года в дома балкарцев постучали солдаты. Они советовали брать больше провизии и меньше вещей, но балкарцы, у которых родина уходила прямо из-под ног, хватали камни с любимой земли. На сборы отводилось два часа. Если кого-то из членов семьи не оказывалось дома на момент переселения, шансов найти друг друга потом практически не было.

Жителей балкарских сёл на американских грузовых «студебеккерах» привозили на железнодорожный вокзал в Нальчике, откуда эшелонами отправляли на восток в товарных вагонах — по 45 человек вместе с багажом в каждом.

— До одиннадцати часов поезд тихо ехал. А потом… Двенадцать суток. Поезд почти не останавливался. Спали сидя, места лежать не было. Еды и воды не хватало, по нужде ходить негде — вагоны товарные. На коротких остановках мужчины и женщины толкаются, бегут во двор, а милиционер хлопает в ладоши и хохочет. Ему смешно, он издевается, — с болью вспоминает Шахадат.

Некоторые спецпереселенцы, особенно пожилые, выходя в туалет во время коротких остановок поезда, не успевали вернуться в вагон. Если работники станции находили их и сажали в другие эшелоны, отставшие уже не могли найти свои семьи. От жажды, голода и тифа в дороге умерли 562 человека.

На следующие 13 лет имя балкарского народа предали забвению. Оно исчезло из официального перечня народов, не упоминалось ни печатно, ни устно. 8 апреля 1944 года вышел указ Президиума Верховного Совета СССР «О преобразовании Кабардино-Балкарской АССР в Кабардинскую АССР». Территорию Эльбрусского и Нагорного районов включили в состав Грузинской республики.

В 1945 году, в течение одной осени, умерли родители Шахадат.

— Помню, 7 ноября — День революции, праздник, все радуются, танцуют, а мы плачем — маму хороним.

Семеро детей Тиловых остались одни. Троих из них, работоспособных по возрасту, поселили в совхозе — там дела обстояли получше, можно было заработать на хлеб. Остальные четверо, в том числе самая младшая Шахадат, поселились в неотапливаемом бараке. Зима была очень тяжелой. По ночам детей била такая дрожь, что они ударялись плечами. Прижавшись друг к другу, дети кое-как согревались и к утру засыпали. Дороги между бараком и совхозом не было, и старшие дети были отрезаны от младших. Сообщение восстановили только к лету, тогда старшие братья смогли посылать родным кукурузу. В 1947 году детей пустила к себе казашка, и жизнь стала терпимой.

За 13 лет депортации балкарцы обжились в Казахстанской и Киргизской республиках, завели новые семьи, обустроили жилье. Шахадат Тилова вышла замуж за балкарца и стала Хаджиевой. 9 января 1957 года Президиум Верховного Совета СССР издал Указ «О преобразовании Кабардинской АССР в Кабардино-Балкарскую АССР». Как только об этом узнали в местах ссылки, балкарцы стали возвращаться на родину, хотя дом и работу решились оставить не все. Многие сёла были разрушены, поэтому люди разъезжались по соседним селениям, отстраивали новые дома. Муж Шахадат, как и многие тогда, устроился шахтером на угольный комбинат в Тырныаузе — в 30 километрах от бывшего аула Губасанты, и молодой семье Хаджиевых дали жилье.

Читайте так же:
Как добывают гранит в России

В 1957 году власти восстановили автономию нации, однако к балкарцам как к депортированному народу по-прежнему относились с предубеждением. Полная моральная и политическая реабилитация балкарцев произошла только в 90-х годах — Закон РСФСР от 26 апреля 1991 года «О реабилитации репрессированных народов» признал принудительное выселение народов СССР актом геноцида.

Сейчас Шахадат 88 лет. Она по-прежнему живет в Тырныаузе, в часе езды от Нейтрино.

Зайнаф, троюродная племянница Шахадат, родилась в 1958 году, ей было всего семь дней, когда родители сели в поезд и поехали на родину. Она говорит, что родилась в свободной семье — к тому времени уже издали указ о восстановлении государственности Балкарии.

— Я приехала в Кабардино-Балкарию младенцем, и меня записали как родившуюся здесь, на Кавказе. День прибытия поезда по документам считается моим днем рождения.

В школе Зайнаф долго скрывала, что родилась в Казахстане — хотела гордиться своей родиной, тем, что она коренная балкарка. Только будучи взрослой она призналась местным, что, как и многие дети депортации, родилась в Алматинской области на станции Чемолган — там был роддом.

Первый эшелон освобожденных балкарцев отправился из Казахстана в Кабардино-Балкарию в апреле 1957 года. Семья Зайнаф отправилась домой только в следующем году: Хани, ее мать, не могла бросить сестру и братьев в Казахстане, а те отказывались ехать, но муж настоял — надо самим уезжать.

За время отсутствия балкарцев родные места сильно изменились. В опустевших балкарских жилищах поселились сваны, грузинские горцы. Дома в Баксанском ущелье — в том числе, в Губасанты, — были деревянными, поэтому новые жители быстро растащили их на дрова. Из-за депортации с лица земли исчезло 400 небольших аулов. Другим селам повезло больше: дома строили из камня и они лучше сохранились. Узнав, что хозяева возвращаются на родину, некоторые горцы не уходили и требовали денег за то, что не разрушили дома — непрошенные жильцы видели в этом свою заслугу.

Постепенно все бывшие жители Губасанты разъехались по соседним сёлам в поисках жилья и работы: кто-то уехал к родственникам, кто-то строил себе новый дом, ночуя в сараях и бараках. Новая жизнь сильно отличалась от старой — раньше в Губасанты жили по 2—3 семьи в одном доме, а после возвращения каждый был сам за себя.

Предки Хани были знатными людьми, и в Губасанты у них остались поместья с начала XVIII века. У левого, солнечного берега реки Губа-Санты жили Тиловы, у правого — Курдановы, в том числе бабушка Зайнаф Хауа. Балкарцы пасли коз, пряли шерсть, взбивали масло. Жили ближе к горам, а просторы отводились под посевы. Летом они выезжали в Азау, как на дачу — там находились угодья Тиловых.

Охота за стерильным нейтрино

В настоящее время известны три типа нейтрино и соответственно антинейтрино: электронное, тау и мюонное, что соответствует трём видам лептонов. Важнейшее их свойство — способность периодически превращаться друг в друга — осциллировать. Впервые предположение о такой особенности этих частиц высказал академик Бруно Максимович Понтекорво ещё в 1957 году. Позднее оно подтвердилось экспериментально, что было удостоено Нобелевской премии по физике за 2015 год (см. статью «“Оборотни” микромира», «Наука и жизнь» № 11, 2015 г.).

Именно осцилляциями удалось объяснить многолетнюю загадку дефицита солнечных нейтрино, когда на Земле регистрировалось солнечных электронных нейтрино примерно в три раза меньше, чем предсказывает теория, описывающая термоядерные реакции в недрах Солнца. В исследованиях этой проблемы с 1990 года участвовала и БНО. Достоинство используемого в БНО нейтринного телескопа с мишенью из галлия заключается в его способности регистрировать низкоэнергичные нейтрино, которые как раз и рождаются в термоядерных реакциях, отвечающих за подавляющую часть энергии, излучаемой Солнцем.

В 1995 году физики из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) обнаружили нехватку нейтрино, рождающихся в реакторе. Они предположили, что, возможно, существует четвёртый тип нейтрино, который совершенно не взаимодействует с веществом. Эта частица, не участвующая ни в каких фундаментальных взаимодействиях и проявляющая себя только в осцилляциях нейтрино между собой, получила название «стерильное» нейтрино. Если другие нейтрино превращаются в стерильное, то обнаружить их невозможно, они как бы исчезают для исследователей.

Проблема в том, что надёжность лос-аламосского эксперимента недостаточна для однозначного вывода о существовании стерильного нейтрино. А в последующих экспериментах, в том числе и в других лабораториях, физики так и не смогли обнаружить эту неуловимую частицу, хотя некоторые обнадёживающие данные получили как отечественные, так и зарубежные исследователи. Поиск стерильного нейтрино в настоящее время активно ведётся в крупнейших лабораториях мира, к которым теперь присоединилась и российская БНО.

Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, благодаря чему способно до-браться до нас из глубин космоса и недр звёзд, неся важнейшую информацию о происходящих там процессах. Геофизики планируют изучать недра Земли, регистрируя нейтрино, рождающиеся там в радиоактивных распадах ядер. Детекторы, фиксирующие нейтрино, вылетающие из ядерных реакторов на АЭС, дают дополнительную информацию о протекании ядерной реакции. Но чтобы это всё работало достоверно, необходимо знать, переходят ли известные нейтрино в четвёртое, стерильное состояние.

Возможно, существованием стерильного нейтрино можно будет объяснить и проблему, с которой столкнулись в самой БНО. Оказалось, что в экспериментах с искусственными источниками нейтрино во взаимодействие с галлием, используемым для регистрации нейтрино в галлий-германиевом нейтринном телескопе (ГГНТ), вступает меньше нейтрино от источника, чем ожидалось. Именно этот факт вдохновил исследователей под руководством члена-корреспондента РАН Владимира Николаевича Гаврина на разработку эксперимента BEST.

Для регистрации нейтрино в эксперименте BEST использован тот же принцип, что и в ГГНТ, ранее созданном для измерения потока нейтрино от Солнца. Он заключается в том, что нейтрино, проходя через десятки тонн галлия, изредка взаимодействуют с ядрами его атомов, превращая их в германий. При этом образуется радиоактивный изотоп германия 71 Ge с периодом полураспада всего 11,4 дня. Его можно отделить от галлия химическим путём, возвращая детектор в исходное рабочее состояние. Выделенный германий переводится в газообразную форму GeH4 и помещается в счётчик, который в течение пяти месяцев будет регистрировать частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде его ядер. Количество распадов за заданное время позволяет по закону распада определить, сколько всего ядер германия образовалось, а значит, и количество взаимодействий нейтрино с галлием. Дальше, зная вероятность такого взаимодействия и объём галлия, исследователи определяют искомый поток нейтрино. Стоит отметить, что выделение нескольких атомов германия из тонн галлия — непростая задача, которую наши физики успешно решили.

Читайте так же:
Как устроен спальный район США?

Стерильные нейтрино напрямую обнаружить нельзя, ведь они не будут взаимодействовать с галлием. Зато они могут быть обнаружены по их отсутствию. Это кажется парадоксальным, но идея эксперимента проста. Надо взять искусственный источник нейтрино с известным их потоком и посмотреть, сколько нейтрино в этом случае зарегистрирует детектор. Если их окажется меньше, чем должно быть при данном потоке, то есть основание предположить, что недостающие нейтрино — это те, которые превратились в стерильные. Правда, простота идеи не означает простоту самого эксперимента, ведь нужно создать такой источник и устранить все побочные факторы, способные привести к таким же результатам.

В эксперименте BEST источником нейтрино служит радиоактивный изотоп хрома 51 Cr, однако в природе он не встречается из-за малого периода полураспада — около 28 суток. Его можно получить облучением нейтронами в ядерном реакторе стабильного изотопа 50 Cr, но проблема в том, что в природном хроме его всего 4%. Поэтому сначала ПО «Электрохимический завод» (г. Зеленогорск, Красноярский край) получил 4 кг обогащённого хрома, в котором 98% составлял изотоп 50 Cr. Это весьма трудоёмкая задача, с которой российские специалисты успешно справились. А уже потом высокоинтенсивный исследовательский ядерный реактор СМ в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР, г. Димитровград, Ульяновская область) произвёл нужное количество 51 Cr.

В окончательном виде источник нейтрино содержит 26 металлических дисков из хрома диаметром 88 мм и толщиной 4 мм, помещённых в стальную капсулу, экранированную свинцовой биологической защитой. Полный его размер — 16 см в диаметре и 22,6 см высотой. Активность источника определяется измерением тепла и гамма-излучения, которое он выделяет при радиоактивном распаде. Ошибка измерений не должна превысить 1%.

Для проведения эксперимента источник нейтрино помещён внутрь специального бака, заполненного 50 т жидкого галлия при температуре около 31°С (температура плавления галлия 29,8°С). Бак разделён на две зоны. Внутренняя имеет форму сферы и содержит 8 т галлия, внешняя — оставшиеся 42 т. Это позволяет измерять потоки электронных нейтрино на разных расстояниях от источника. При отсутствии переходов электронных нейтрино в стерильные нейтрино потоки нейтрино, измеренные в обеих зонах, должны быть равны. В начале эксперимента, когда интенсивность источника максимальна, в каждой зоне должно возникать по 65 атомов 71 Ge в день. Если же по мере удаления от источника нейтрино осциллируют в стерильные состояния, то скорости производства германия во внутренней и внешней зонах будут разными.

Осцилляции нейтрино зависят от целого ряда параметров, в частности от энергии и расстояния между источником и детектором. Характеристики осцилляций физики уже достаточно хорошо знают из многочисленных солнечных, атмосферных и реакторных нейтринных экспериментов, регистрирующих нейтрино разных типов и энергий. Энергия излучаемых источником 51 Cr электронных нейтрино такова, что их осцилляция в известные типы нейтрино должна происходить на больших расстояниях, значительно превышающих размеры баков с галлием. Поэтому в случае обнаружения в эксперименте BEST недостатка электронных нейтрино это однозначно будет связано со стерильными нейтрино.

Для извлечения атомов 71 Ge, накопленных в галлиевых мишенях, жидкий галлий перекачивают в реакторы ГГНТ. Для каждой мишени используется своя система перекачки и извлечения.

Преимущество галлия перед жидкостями, используемыми в других нейтринных телескопах, в его высокой плотности, что позволяет сделать установку компактной. Для примера, детектор японской установки «Супер-Камиоканде» представляет собой цилиндрический резервуар высотой 41,4 м и диаметром основания 39,3 м, заполненный 50 000 т воды.

Установка BEST размещена в главном экспериментальном зале ГГНТ, который для защиты от посторонних излучений находится глубоко в недрах горы Андырчи на Северном Кавказе в Приэльбрусье. Зал имеет длину 60 м, ширину 10 м и высоту 12 м и расположен на расстоянии 3,5 км от входа в горизонтальный туннель, ведущий внутрь горы. Толща горных пород над телескопом достигает 2 км. С точки зрения защиты это соответствует слою воды в 4700 м, как говорят специалисты, водного эквивалента. Она ослабляет поток мюонов, порождаемых в атмосфере космическими лучами, в десять миллионов раз. Лаборатория занимает второе место по глубине залегания среди действующих нейтринных обсерваторий. Для снижения нейтронного и гамма-излучения от окружающих горных пород зал облицован низкорадиоактивным бетоном толщиной 60 см и стальным листом толщиной 6 мм.

На первой стадии эксперимента исследователи проведут 10 облучений галлия (экспозиций), каждое продолжительностью 9 дней, после которых будет извлекаться германий для измерений. Источник нейтрино был помещён в установку 5 июля 2019 года, и сразу же началась первая экспозиция. Медлить нельзя, поскольку хром быстро распадается и источник «разряжается». Первое извлечение экспериментаторы провели 15 июля, а последнее (десятое) состоится по графику 13 октября. Затем коллаборация из 26 исследователей, представляющих 15 научных организаций России, Германии, США, Канады и Японии, планирует приступить к обработке и анализу полученных данных. Координировать работу будет Институт ядерных исследований РАН.

Следующий цикл измерений возможен только после замены источника нейтрино. Общая продолжительность эксперимента зависит от того, будут ли получены в нём обнадёживающие результаты.

Редакция благодарит научного сотрудника БНО ИЯИ РАН Татьяну Викторовну Ибрагимову за помощь в подготовке статьи.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию