Пожалуй, это единственный в стране и один из немногих в мире комплексов подземных установок, созданных исключительно для нужд фундаментальной науки (здесь ведутся исследования в области нейтринной физики и астрофизики). Остальные подобные объекты размещали в горнодобывающих шахтах. Например, американскую обсерваторию "Хоумстейк" обустроили в штольне бывшего золотого рудника.
С прошлого лета в обсерватории запустили экскурсионную программу для учащихся и преподавателей. Цель туров - профориентация молодежи и популяризация науки. Обсерватория расположена в живописном Баксанском ущелье Кабардино-Балкарии, на дне которого шумит река Баксан, питаемая ледниками Эльбруса. Вдоль нее тянется федеральная трасса, ведущая прямо к подножию самой высокой вершины Европы. Так что нетрудно предположить - желающих вживую увидеть наследие советской науки немало. А работа подземной установки не прекращается вот уже 50 лет.
Группы здесь принимают по средам. Именно в этот день в залах проводят профилактический осмотр и ремонт оборудования. Для корреспондентов "РГ" в четверг сделали исключение, и мы познакомились не только с принципом регистрации нейтрино, но и узнали, почему так важно их исследовать.
Конечно, погрузиться в микромир всепроникающей частицы для неподготовленного гостя будет, мягко говоря, трудно, поэтому маршрут начинается с вводной лекции. Впервые существование нейтрино предсказал немецкий физик Вольфганг Паули в 1930 году,как спасительную соломинку для закона сохранения энергии. Особенность частицы в том, что она электрически нейтральна и слабо взаимодействует с веществом, поэтому для нее нет преград, она с легкостью прошивает Вселенную насквозь. По этой же причине ее невозможно обнаружить, в смятении утверждал автор выдвинутой гипотезы. Но спустя четверть века американские физики сумели "поймать" следы частицы в излучении одного из реакторов ядерного комплекса, а еще спустя 40 лет один из руководителей этого эксперимента - Фредерик Райнес (между прочим, тоже посещавший Баксанскую обсерваторию) - удостоился за свое открытие Нобелевской премии.
- Нашим туристам я рассказываю о физике на доступном языке, а целевым группам - школьникам профильных классов и студентам - лекции, как правило, читает заместитель заведующего БНО ИЯИ РАН по науке Альберт Гангапшев, он глубже погружает ребят в предмет и старается увлечь, - рассказывает экскурсовод Елена Хаердинова. - В среднем экскурсия длится три часа, за это время гости успевают посетить одну из установок, особенно всем интересен подземный сцинтилляционный телескоп. За прошлый сезон у нас побывало около 700 человек, для них провели 45 лекций.
Итак, уложив в голове огромный пласт информации, - от истории масштабного строительства обсерватории в массиве горы Андырчи до рассказа о современных экспериментах-- выдвигаемся к телескопу. В эти часы вихрящийся снег укрыл окрестности белой простыней, да так, что у ворот вспомогательной штольни рабочий сгребает лопатой свежие наносы, расчищая пути узкоколейной железной дороги. По рельсам утром и вечером курсирует электровоз, доставляющий сотрудников в самые глубокие участки подземного комплекса. Мы же направляемся в ближнюю лабораторию, расположенную всего в 550 метрах от скального входа, так что идем пешком. Внутри тускло освещенного тоннеля сухо, по бокам тянутся сплетения коммуникационных проводов и труб. Любопытно, что стены отлиты из бетона со сниженным уровнем радиации на основе дунита, специально привезенного с Урала. Перед тем как попасть в сердце установки, надеваем бахилы, чтобы не занести лишних частиц с поверхности земли, так как в помещениях фоновое излучение атмосферы снижено на три порядка.
- Внутри действуют жесткие правила пожарной безопасности: запрещено использование открытого огня (курение, естественно, тоже), так как на всей установке сосредоточено 330 тонн горючего вещества, и нельзя трогать провода - часть их находится под высоким напряжением в два киловольта, - инструктирует нас старший инженер подземного сцинтилляционного телескопа Светлана Разуваева.
Баксанская нейтринная обсерваторияТелескоп в данном случае, конечно, это не привычные линзы или зеркала, а четырехэтажное здание под толщей скалы. Его высота - 11 метров. Камера лаборатории представляет собой четыре вертикальные и четыре горизонтальные плоскости, сложенные из детекторов. Со стороны они напоминают гигантские пчелиные соты, только вместо шестигранников - прямоугольные баки, каждый из которых внутри покрыт светоотражающей эмалью и заполнен легким керосином со сцинтиллятором. Они-то и "ловят" пролетающие частицы.
- В этом году исполнится 50 лет, как я работаю в обсерватории, начинала с оператора в вычислительном центре, и запуск этой установки происходил на моих глазах в декабре 1976 года, - рассказывает Разуваева. - За эти годы техническое оснащение прошло огромный путь: легендарные ЭВМ-222, с которых все начиналось, стали "музейным экспонатом", громоздкие катушки с ленточными накопителями уступили место серверам. Однако баки детекторов и фотоэлектронные умножители (ФЭУ), - сердце установки - разработанные советскими инженерами, функционируют до сих пор. Вот так идеи создателей опередили свое время, доказав свою состоятельность на практике: меняем мы их крайне редко. Внушительный запас ФЭУ - подтверждение того, что установка была рассчитана на десятилетия безаварийной службы. Как вы заметили, в помещениях особые условия - приглушенное освещение, круглый год поддерживаем температуру 20-21 градус. И дежурный каждые два часа совершает обход по всем этажам, проверяет оборудование, чтобы не было утечек.
Так как же регистрируют неуловимые нейтрино? Когда пролетающая частица врезается в атомное ядро, то из нее вылетает другая - мюон (один из так называемых ароматов нейтрино), которая тяжелее электрона более чем в 200 раз. Это неустойчивая с отрицательным либо положительным зарядом частица. Ее стремительный пролет через сцинтиллятор дает вспышку, которая и регистрируется чувствительным фотоумножителем. По статистике, каждую секунду телескоп фиксирует сверху появление 17 мюонов. По словам ученых, скорее всего, они не от нейтрино. Снизу такие события значительно реже - один раз в неделю, но именно эти штучные мюоны рождены при столкновении нейтрино с атомным ядром вещества.
Но рассказ об обсерватории будет скудным без упоминания галлий-германиевого нейтринного телескопа. Ведь именно здесь проходят новые эксперименты. Этот подземный комплекс расположен глубоко, на расстоянии 3,5 километра от входа в тоннель. Сразу же после запуска в 1986 году в лаборатории начали измерять потоки солнечных нейтрино в рамках российско-американской коллаборации SAGE. Вместо линз - 50-тонная мишень в виде галлия. Раз в месяц ученые аккуратно извлекали из резервуаров сосчитанные атомы германия - следствие взаимодействия неуловимых частиц с ядрами жидкого металла. Так за годы наблюдения удалось выяснить загадку рожденных на Солнце нейтрино: по пути на Землю половина из них переходит (осциллирует) в другие известные науке ароматы - тауонное или мюонное нейтрино. Однако даже в экспериментах с искусственными источниками частицы все равно вступали во взаимодействие с галлием меньше, чем ожидалось. Отсюда возникла гипотеза о существовании четвертого состояния нейтрино - стерильного, еще более слабо взаимодействующего с веществом.
В июле 2019 года в лаборатории приступили к проведению эксперимента Baksan Experiment on Sterile Transitions. Коротко BEST. Его целью было найти новую частицу, а это уже серьезная заявка на Нобелевскую премию. К эксперименту мирового уровня команда готовилась три года совместно с Курчатовским институтом, Росатомом и Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне. Задача парадоксальная, ведь стерильные нейтрино предстояло искать по их отсутствию.
- Для проведения эксперимента источник нейтрино хром-51 поместили внутрь бака с жидким галлием, - рассказывает заведующий лабораторией низкофоновых исследований кандидат физико-математических наук Владимир Казалов. - Емкость имеет две зоны: в форме сферы и цилиндрическую. Это позволило измерить частоту взаимодействия электронных нейтрино с галлием. Результат показал практически одинаковые темпы счета в обеих зонах и оказался двояким: с одной стороны, он может служить выводом, что стерильных нейтрино не существует, с другой - просто на таком коротком участке мы не видим осцилляцию частиц, то есть его нужно еще уменьшить.
По мнению Казалова, стерильные нейтрино, скорее всего, в природе есть, но их количество настолько мало, что едва достигает тысячной доли процента от общей массы. Просто пропорции в большую сторону рушат как карточный домик все стандартные расчеты в модели Вселенной.
Все экскурсанты задаются вопросом: "Какую практическую пользу можно извлечь из исследований нейтрино?" И хотя фундаментальная наука не ставит таких целей, однако накопленные физиками знания весьма точно объясняют принципы работы Солнца, его возраст, помогают рассчитать плотность и температуру недр, где, собственно, и возникают сверхлегкие частицы. В общем, становятся дополнительным инструментарием для изучения происходящих процессов в том или ином объекте глубокого космоса.
- Также нейтрино можно использовать для "диагностики" промышленных ядерных реакторов, иными словами, в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и определять интенсивность горения, состав топлива, - поясняет Владимир Казалов. - Этот же способ годен и для сферы ядерной безопасности. Например, страны - участницы договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО), контролируемые МАГАТЭ, вполне могут вырабатывать из урана-238 не только полезную энергию, но и плутоний-239, который является основой для ядерного оружия. А регистрация антинейтрино от ядерных реакторов дает самую верную информацию о происходящем.
Ну и совсем мечта - налаживание нейтринной связи между субмаринами. Вопрос в том, каким должен быть нейтринный передатчик. Если сконструировать его по типу аппарата кода азбуки Морзе, то здесь потребуется ускоритель, который будет выпускать пучки заряженных частиц. Но с другой стороны должен находиться аналогичный приемник нейтрино.
В БНО ИЯИ РАН разработали прототипы детекторов для регистрации геонейтрино — они рождаются в земной коре при распаде радиоактивных элементов: урана, тория и калия-40. Измерение потока частиц поможет объяснить строение Земли, исходящее из ее недр тепло, а также определить распределение элементов по глубине. Геонейтрино ранее регистрировали на установках KamLAND в Японии и Borexino в Италии, но для изучения совокупных параметров нужна целая сеть таких комплексов. В Баксанской обсерватории подготовили детектор в виде акрилового шара с сцинтиллятором на 500 литров — конструкция помещалась в пластиковый резервуар цилиндрической формы, заполняемый высокочистой водой. Следующий этап — пятитонный детектор в стальном резервуаре. Здесь уже установят 54 фотоумножителя.