Репортаж із підземної лабораторії Гран-Сассо в Італії, де вивчають нейтринні осциляції та

Наземні будинки лабораторії Гран-Сассо
Підземна зала експерименту OPERA
Робот, який забирає на дослідження «цеглини» детектора OPERA, в яких нейтрино провзаємодіяли з матерією
Система охолодження рідкого аргону експерименту ICARUS
Підземна зала експерименту ICARUS
Гірський масив Гран-Сассо, в тунелі, під яким знаходиться Національна лабораторія ядерної фізики.
Схема підземних комунікацій лабораторії Гран-Сассо
Конференц-центр лабораторії Гран-Сассо та гірський масив

«Надсвітлові нейтрино помітили випадково»

Кореспондент "Газети.Ru" побувала в італійській лабораторії Гран-Сассо, "яка відкрила" нейтрино, що рухаються з надсвітловою швидкістю. Насправді лабораторія вивчає перетворення одних типів нейтрино на інші, а також «ловить» частинки темної матерії. Спостереження швидкості нейтрино було зроблено випадково і рішення основних завдань, важливих розуміння устрою Всесвіту, ніяк не вплинули.

Отримано нове підтвердження існування надсвітлових нейтрино

Саме існування суперсучасної міжнародної лабораторії Гран-Сассо в італійській глибинці (в Абруццо до середини XX століття асфальтових доріг було перерахувати на пальцях) варто окремої розповіді. Спочатку в глибині найвищого гірського масиву Апеннін (майже 3 тис. метрів над рівнем моря) збудували автомобільний тунель, який зв'язав Рим з адріатичним узбережжям. Будівництво почалося 1968 року, коли про лабораторію ніхто ще й не думав. Або майже ніхто:конспірологічні теорії свідчать, що батько-засновник лабораторії, екс-директор італійського Національного інституту ядерної фізики та всесвітньо відомий вчений Антоніо Зікікі лобіював будівництво автомобільного тунелю саме в цьому місці і саме в напрямку, що ідеально підходить для «лову» нейтрино, з CERN. Як би там не було, у 1982 році почалося будівництво підземних залів лабораторії, яке коштувало бюджету 77 млрд лір (близько 40 млн євро). 1989 року розпочалися перші великомасштабні експерименти, і на 2006 рік Національна лабораторія Гран-Сассо утримувала лідерство як найбільша підземна фізична лабораторія світу.

Зараз у серці гірського Абруццо – на півдорозі міжЛ'Акуїлою, що постраждала від руйнівного землетрусу, і Терамо, де рідкісна людина знає англійську, працюють 750 учених із 24 країн світу.

Навіщо фізикам знадобилося ховатися під двокілометровою товщею скельної породи? Щоб екрануватися від максимального діапазону частинок і зосередитися на невловимих, таких як нейтрино і частинки темної матерії. Всі звичайні частинки – електрони, протони, позитрони – взаємодіють із матерією, втрачаючи енергію, і не можуть «прошити» товщу породи. А ось нейтрино - частинки з дуже невеликим перетином взаємодії. Це означає, що вони проходять крізь будь-які стіни — кожну секунду через тіло кожної людини на Землі проходить 10 14 нейтрино, випущених Сонцем. Таким чином, до лабораторії під горою надходить очищений потік нейтрино, а справа фізиків – ловити його. Інші нейтринні обсерваторії використовують ті ж методи очищення: американськаIcecubeховається під товщею антарктичних льодів на станції Амундсен-Скотт, а багатостраждальна радянськаБаканська нейтринна обсерваторіязнаходиться в горіАндирчі в Кабардино-Балкарії. З частинками темної матерії ще складніше: їхня природа невідома, проте під землею, де звичайних частинок немає, прилади, можливо, зможуть виміряти «вітер» цього невідомого.

У Гран-Сассо кілька експериментів, що вивчають нейтрино, проте найвідоміші працюють не з нейтрино-космічних променів, а з чітким пучком, який проходить під землею шлях за 730 км від джерела в CERN до італійської лабораторії. Цей проект має назву CNGS – CERN Neutrinos to Gran Sasso. Два найбільші детектори, які працюють з цим пучком, - ICARUS і сумно відома на весь світ своїми «надсвітловими» нейтрино OPERA. Вчені називають їх цифровим та аналоговим фотоапаратами для нейтрино.

Частинки, з яких складається темна матерія, важче, ніж вважалося досі

Детектор OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) реєструє взаємодії нейтрино з матерією у про цегли, зроблених з свинцю. Цей метал вибраний для того, щоб збільшити ймовірність взаємодії. Спеціальні екрани стежать за тим, в якому з цегли, можливо, відбулася надрідка подія - взаємодія з нейтрино, а потім спеціальний робот витягує потрібну цеглу для вивчення. Одна цегла розміром завжди 8 на 12 см важить 8,5 кг. Детектор влаштований наступним чином: два його супермодулі є мішені, за якими стоять мюонні спектрометри. Цегла і є мішені: їх понад 150 тисяч, вони об'єднані в 58 стінок. Стінки перекладені світлочутливими елементами, що служать тій самій меті – засікти траєкторію частки. Детектори ICARUS – два гігантські резервуари з 600 тоннами надчистого рідкого аргону.

Обидва експерименти вивчають нейтринні осциляції – перехід одного типу нейтрино до іншого.

«Це як якщоб хлопчики ставали дівчатками – і навпаки. Тільки у нейтрино не дві «підлоги», а більше. Ми тут перевіряємо припущення про те, що «підлога» нейтрино змінна: вони можуть переходити одна в одну. Це явище і називається нейтринними осциляціями», — каже кандидат фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Фізичного інституту РАН Михайло Чернявський, учасник колаборації OPERA, стоячи у величезній, як Новоафонська печера, залі підземної лабораторії. Тут, як і в печері, гулко і цілий рік постійна температура та вологість.

У Женеві під жарти Моргана Фрімана та фортепіано Дениса Мацуєва вручено премію з фундаментальної фізики, засновану Юрієм Мільнером

OPERA спостерігає, як мюонні нейтрино, які через товщу порід посилає до Італії прискорювач SPS із CERN, перетворюються на тау-нейтрино.

«У SPS (Super proton synchrotron) пучок протонів розганяється до енергії 400 ГеВ і прямує в нерухому графітову мету. При ударі утворюється ряд короткоживучих частинок - півонії (π) і каонів (К). Їх фокусують та направляють до Гран-Сассо. В результаті π + і K + розпадів утворюється пучок нейтрино, що рухається майже в тому ж напрямку, що і частинки, що його породили. Середня енергія частинок у пучку – 17,4 ГеВ, і він майже повністю складається з мюонних нейтрино – лише кілька відсотків становлять антимюонні, електронні та антиелектронні нейтрино», – розповідає Чернявський.

Величезна маса детекторів потрібна для того, щоб підвищити ймовірність фіксації такої малоймовірної події, як взаємодія нейтрино з матерією. OPERA реєструє близько 30 взаємодій мюонних нейтрино на день, а тау-нейтрино – набагато рідше, лише кілька на рік. Кожна цегла, «підозрювана» у взаємодії, витягується з детектора і ретельно вивчається.Також світлочутливі шари дають змогу відстежити шлях частинки. Перебирають цеглу копіткі роботи, чимось схожі на «годуючих» у фільмі «Матриця», працюючи і день і ніч.

ICARUS (Imaging Cosmic and Rare Underground signals), сконструйований за планом нобелівського лауреата Карло Руббіа, працює інакше: у ньому шлях зарядженої частинки – трек – відстежується в рідкому аргоні між катодом і анодом.

"Спостереження за осциляціями нейтрино - нехай ми поки що зареєстрували всього кілька подій - необхідні для вивчення його фундаментальних властивостей, зокрема маси", - говорить Етторе Сегрето, фізик з італійського Інституту ядерної фізики.

Зараз активна фаза експерименту CNGS - CERN neutrinos to Gran Sasso - знаходиться на вимушених канікулах, оскільки весь прискорювальний комплекс CERN зупинено на кілька років для модернізації Великого адронного колайдера. Однак цей час фізики використовують для аналізу даних, збирання яких завжди випереджає обробку. Отже, на нові результати дослідження нейтринних осциляцій можна сподіватися вже цього року.