«Зеленая лаборатория» в Дубне: охотники за нейтрино и «черная комната»
Материал подготовлен Дубненским ИА>>
Физика ядра давно будоражит умы ведущих мировых ученых, да и обычным людям интересно узнать, из чего состоит Вселенная. Физики из подмосковной Дубны занимаются фундаментальными исследованиями, которые позволяют лучше понять мир, в котором мы живем. Один из основных предметов изучения – трудноуловимая частица нейтрино. Зачем ученые «выключают» магнитное поле Земли, какие тайны скрывает «зеленая лаборатория», и как поймать нейтрино, узнал корреспондент Дубненского информагентства.
Коллайдер NICA: уникальный научный мегапроект в Дубне>>
От гипотезы к Нобелевке
Удаленный центр эксперимента NOvA
Фото: Артем Рязанцев, Дубненское ИА
На территории Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне расположено двухэтажное здание, окрашенное в ярко-зеленый цвет. Это недавно открывшаяся лаборатория тестирования фотодетекторов, в которой разрабатывают и проверяют приборы для экспериментов с частицами, в частности, нейтрино. Также в «зеленой лаборатории», как ее называют между собой физики, находится удаленный центр управления большим нейтринным экспериментом NOvA, который начал свою работу в конце 2013 года.
По словам научного сотрудника Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ в Дубне, руководителя лаборатории тестирования фотодетекторов Николая Анфимова, нейтрино трудно поддается изучению и регистрации, потому что эта частица крайне слабо взаимодействует с веществом, а ее масса очень мала.
Уникальным свойством нейтрино, позволяющим проводить исследования, являются осцилляции – превращения из одного вида в другой. Впервые эту гипотезу высказал в 1957 году выдающийся физик Бруно Понтекорво, работавший в ОИЯИ. Экспериментальное подтверждение осцилляций нейтрино было отмечено Нобелевской премией 2015 года.
«Международный эксперимент NOvA начал изучение осцилляций нейтрино на новом уровне точности. В нем участвуют 210 ученых и инженеров из 39 институтов в США, Великобритании, Бразилии, Греции, Индии, Чехии и России», – рассказывает Анфимов.
Россию представляют Институт ядерных исследований и Физический институт имени Лебедева РАН, а также Лаборатория ядерных проблем международного центра ОИЯИ, от которого в эксперименте NOvA участвуют около 20 человек.
Коллайдер NICA привлечет в Дубну тысячи ученых и инженеров со всего мира>>
Центр управления полетом нейтрино
Олег Самойлов объясняет принцип работы удаленного центра
Фото: Артем Рязанцев, Дубненское ИА
В ходе эксперимента NOvA физики изучают изменения, которые происходят с пучком нейтрино на расстоянии 810 километров от источника – ускорителя в лаборатории имени Энрико Ферми недалеко от Чикаго. В «Фермилабе» есть небольшой детектор, который контролирует исходный состав нейтринного пучка. Основной детектор расположен в штате Миннесота на границе с Канадой.
«Размеры большого детектора – 15х15х60 метров, это примерно половина футбольного поля высотой с пятиэтажный дом. В сооружении 340 тысяч ячеек размером 4х6 сантиметров и длиной 15 метров. Они заполнены жидким сцинтиллятором – веществом, способным излучать свет при прохождении или поглощении ионизирующего излучения. С каждой ячейки регистрируется сигнал», – объясняет руководитель удаленного центра NOvA в Дубне, начальник сектора в отделе физики элементарных частиц ЛЯП ОИЯИ Олег Самойлов.
Он пояснил, что для эксперимента NOvA созданы восемь удаленных центров управления – шесть на территории США и два за пределами страны. Первый из них открылся в сентябре 2015 года в подмосковном ОИЯИ, второй – в январе 2016 года в Суссексе, Великобритания. Центр в Дубне расположен на втором этаже «зеленой лаборатории», в нем два десятка мониторов над длинным столом, за которым работают дежурные. Смены длятся по восемь часов. Благодаря нескольким центрам в разных точках мира наблюдение ведется круглосуточно.
Дежурный физик в удаленном центре ОИЯИ
Фото: Артем Рязанцев, Дубненское ИА
«Задача дежурных физиков – контролировать работу эксперимента и сообщать экспертам данные. Ближний детектор «изображен» на мониторах синим цветом, дальний – бордовым. На остальных экранах выведены данные о работе всех систем: электроники, питания и охлаждения детекторов, также можно посмотреть параметры пучка и его мощность», – рассказывает Самойлов.
Несведущему человеку совершенно непонятны эти цветные картинки с мерцающими точками, похожими на северное сияние. Однако физики с первого взгляда могут отличить пучок нейтрино от космических лучей. Если эксперимент работает без сбоев, то фон всех экранов зеленый, в случае возникновения проблем загорается красный цвет.
Марсианская одиссея: как ученые из Дубны готовят полет на Марс>>
Превращения нейтрино
Мониторы, показывающие работу детектора в США
Фото: Артем Рязанцев, Дубненское ИА
«Во Вселенной примерно один протон на кубометр, а нейтрино в том же кубометре порядка миллиарда. Сейчас через наши тела пролетают триллионы нейтрино! Их существует три типа. Электронные нейтрино при взаимодействии с веществом детектора образуют электроны, мюонные – мюоны, тау-нейтрино – тау-лептоны», – поясняет Самойлов.
По словам физика, ближний и дальний детекторы эксперимента NOvA, расположенные в США, способны измерить осцилляции нейтрино, то есть, их превращения. Пучок из «Фермилаба» в основном содержит мюонные нейтрино, которые по пути из Чикаго к дальнему детектору в Миннесоте частично превращаются в нейтрино другого типа, в частности, электронные.
«Мы ожидали зарегистрировать в дальнем детекторе около 200 мюонных нейтрино, а реально получили только 33 события. Это доказывает, что мюонные нейтрино исчезли из пучка из-за осцилляционных переходов. С учетом набора статистики до 2020 года мы сможем выполнить самое точное измерение этого эффекта», – рассказывает ученый.
Дежурные физики в удаленном центре ОИЯИ
Фото: Артем Рязанцев, Дубненское ИА
Самойлов считает, что научную значимость получаемых результатов невозможно переоценить: нейтрино является самой распространенной частицей во Вселенной, но до сих пор не все ее свойства хорошо изучены. Например, неизвестно, какой из трех типов нейтрино является самым легким, а какой – самым тяжелым. Определение иерархии масс – одна из основных задач эксперимента NOvA.
Кроме того, проводится исследование не только нейтрино, но и антинейтрино. Существует теория, согласно которой на первых стадиях развития Вселенной именно асимметрия между нейтрино и антинейтрино нарушила космический баланс материи и антиматерии, сделав возможным именно тот мир, в котором мы живем, отмечает Самойлов.
Как подмосковные физики строят гигантский телескоп на Байкале>>
Черная комната
Николай Алфимов объясняет, как «отключить» магнитное поле Земли
Фото: Артем Рязанцев, Дубненское ИА
На первом этаже «зеленой лаборатории» ОИЯИ расположена специальная «черная комната» для будущего международного эксперимента JUNO, который должен начаться в 2020 году. По словам Анфимова, сейчас идет подготовка аппаратуры для уникального детектора, который планируется построить на юге Китая на расстоянии 53 километров от двух комплексов атомных электростанций, в каждом из которых по шесть реакторов.
«JUNO – это огромный детектор в виде сферы диаметром 35 метров, в которую зальют 20 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора. Он позволит измерить осцилляции нейтрино на больших расстояниях и исследовать атмосферные нейтрино, геонейтрино и нейтрино от Солнца», – рассказывает Анфимов.
Детектор будет «просматриваться» 18 тысячами фотоумножителей (ФЭУ) диаметром 50 сантиметров каждый. Чтобы все их проверить, нужны особые условия: отсутствие света и магнитного поля. Обычно для тестов используют так называемые черные коробки, но для крупного ФЭУ пришлось построить целую комнату. В ней абсолютно все закрашено черной краской, даже кондиционер и батареи, а в потолке, стенах и полу размещены катушки, через которые пропускается ток.
«Катушки создают магнитное поле, которое противодействует полю Земли и почти полностью «выключает» его. Это необходимо, поскольку такие большие фотоумножители очень чувствительны даже к слабым магнитным полям. Только в таких условиях можно проводить нужные измерения», – отмечает Анфимов.
Николай Алфимов объясняет, как работает фотоумножитель
Фото: Артем Рязанцев, Дубненское ИА
Продвинутая установка для автоматического сканирования ФЭУ полностью выполнена в ОИЯИ – от идеи до реализации. По словам физика, уже выстроилась очередь из институтов-участников JUNO, желающих получить такую же для своих исследований.
«На тестирование 18 тысяч фотоумножителей отводится всего 1,5 года. Наши немецкие коллеги по эксперименту JUNO разрабатывают методику проверки ФЭУ партиями по 40 штук в специальных контейнерах, но этот подход позволит измерить только основные характеристики. Детальный контроль проведут на нашей установке», – подчеркнул Анфимов.
Российские ученые в ОИЯИ также разрабатывают систему высоковольтного питания ФЭУ. Предлагается расположить элементы под водой, прямо на самих фотоумножителях, а значит, они должны быть очень надежными. По словам специалиста, с финансовой точки зрения это будет самым большим вкладом России в эксперимент JUNO.
Молодые российские ученые - про пустой холодильник и союз с бизнесом>>
Елена Лазарева