В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
Шрифт:
А вот другая гипотеза, ее выдвинул академик Б. М. Понтекорво. Нам известны два вида нейтрино — их называют электронными и мюонными с учетом реакций, в которых эти нейтрино участвуют. В солнечных циклах рождаются электронные нейтрино, и только их умеют обнаруживать хлор-аргоновые детекторы. Но есть повод предположить, что нейтрино осциллирует, что оно переходит из одного вида в другой, подобно тому, скажем, как в электромагнитной волне или в колебательном контуре энергия перекачивается из электрического поля в магнитное и обратно. Если это так, то вполне вероятно, что вылетевшие из Солнца электронные нейтрино по пути превращаются в мюонные нейтрино, а их хлор-аргоновый детектор просто не замечает.
Теперь о самом, пожалуй, главном недосмотре сторонников второго солнечного кризиса: эксперименты Девиса ни в коем случае нельзя отнести ко всему комплексу солнечных циклов, так как многие нейтрино в этих экспериментах
Основное из них — это рр– реакция. Нейтрино, которые появляются в этой реакции, могут иметь разную энергию, но не более 0,4 МэВ. И поэтому хлор-аргоновый детектор не может зарегистрировать нейтрино от рр– реакции— порог чувствительности этого детектора 0,816 МэВ. Иными словами, хлор может превратиться в аргон лишь в том случае, если за это дело возьмется нейтрино с энергией более 0,816 МэВ, а нейтрино рр– реакции для этого слишком слабы. Более того, оказывается, что из-за сложных процессов внутри ядра 0,816 МэВ — это, если можно так сказать, лишь формальный порог; реально же для «срабатывания» хлора нужны нейтрино с энергией около 5 МэВ. А поэтому результаты Девиса относятся лишь к двум веточкам солнечного термояда, эти результаты никак не приговор, а лишь призыв к размышлениям и исследованиям.
Действие седьмое. Мы отправляемся на Северный Кавказ, на строительство первой советской нейтринной обсерватории. Приборы для регистрации солнечных нейтрино и некоторых других частиц, прибывающих из космоса, размещают глубоко под землей. Земная толща — это фильтр, он защищает детекторы от «лишних» космических лучей, которые, в частности, могут вызвать ложное «срабатывание» атомов хлора. Девис установил свою аппаратуру в старой заброшенной шахте глубиной 1,5 км. Сейчас строятся нейтринные телескопы в ответвлении автомобильного тоннеля под Монбланом.
Обсуждается и очень дорогой проект ДЮМАНД — укрытая в океане под многометровой толщей воды система фотоэлектронных приборов, которые караулят слабые вспышки света, вызванные в самой морской воде космическими частицами. Проект обсуждается уже много лет, но к его осуществлению пока еще никто не приступает. Очень возможно, что путь от идеи этого проекта к реальности резко сократится благодаря сравнительно недавнему предложению советских физиков Г. Аскарьяна и Б. Долгошеина. Они предложили регистрировать не световые вспышки, а звуковые импульсы, сопровождающие рождение ливней космических частиц в воде. Такие ливни возникают, когда нейтрино гигантских энергий разрушает ядро. Регистрировать звук значительно удобней, чем свет, в частности, потому, что звуковая волна хорошо распространяется в воде и индикаторы звука можно располагать на значительно большем расстоянии, чем индикаторы света, увеличив тем самым общий объем подводного детектора. Или можно уменьшить число индикаторов, сделать «сеть» более редкой при том же контролируемом объеме роды. Именно от этого объема зависит число пойманных нейтрино Предложение советских физиков вызвало большой интерес, предполагается, что оно может в сотни и тысячи раз повысить эффективность системы.
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
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.