Перестройка нейтринных инструментов лаборатории Ферми - надежда новой физики
Специалисты по физике элементарных частиц с нетерпением ожидают первых испытаний нового источника нейтрино на Главном инжекторе, который установлен в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (США). Сооружение этого устройства – итог общей перестройки системы ускорителей элементарныхчастиц Фермилаба после остановки ускорителя-коллайдера «Тэватрон» в 2011 году. Новый источник излучения уже работает, и совсем скоро имеет шансы стать наиболее интенсивно сфокусированным источником нейтрино в мире.
Исследователи уделяют очень много сил и внимания изучению физики нейтрино и их взаимодействиям, главным образом из-за «равнодушия» этих частиц к остальной Вселенной. Нейтрино «невидимы» для электромагнитных и сильных взаимодействий. Насколько известно ученым, они воздействуют на мир только через гравитацию и слабые взаимодействия. Очень много в совершенстве «выдрессированных» нейтрино необходимо для экспериментов по изучению взаимодействия нейтрино с материей, осцилляций и смешивания нейтрино.
Главными инструментами для таких экспериментов являются мощные источники интенсивных потоков нейтрино и огромные детекторы. Когда в Большом Магеллановом облаке, на расстоянии 170,000 световых лет от нас взорвалась сверхновая, она скора стала видима невооруженным глазом, по интенсивности излучения обогнав всю свою галактику. Но, хотя большая часть энергии этой вспышки выделилась в форме нейтринного излучения, ученые зарегистрировали всего 24 нейтрино из 1054 (примерная оценка).
Так какие же требования предъявляются к источнику нейтрино, участвующему в экспериментах? Самое главное – он должен поставлять на детекторы гигантское количество нейтрино. Из доступных людям орудий в такой роли могут выступить только крупные ядерные реакторы деления и ускорители, «выстреливающие» пучками нейтрино.
Все задуманные эксперименты, дающие наибольшую «отдачу» при создании новой физики, требуют большого расстояния между источником и детектором нейтрино. Детекторы Фермилаба расположены на севере штата Миннесота, в 740 километрах от лаборатории, находящейся неподалеку от Чикаго.
Выйдя на полную мощность, пучок нейтрино Фермилаба будет выбрасывать около триллиона мюонных нейтрино (мютрино) в секунду, хотя частицы будут доставляться в виде миллисекундных импульсов, испускаемых раз в секунду. Угол расхождения луча составит примерно две минуты дуги (2/60 градуса), так что по достижении детекторов диаметр пучка расширится всего до километра.
Даже с таким мощным излучением, нейтринные детекторы должны быть очень большими и тяжелыми. Детектор, участвующий в эксперименте MINOS, состоит в основном из стали, весит 5000 тонн, а его поперечное сечение – примерно 60 м2. Габариты детектор для планируемого эксперимента NoVA - 250 м2 в поперечнике, активная масса 14000 тонн. Через год на эти детекторы обрушится поток в 1016 мюонных нейтрино (в год). И при этом ученые ожидают «поймать» не более нескольких тысяч частиц.
Грубо говоря, пучок нейтрино создается за счет разгона протонов до 100 кЭв. В Фермилабе эту задачу выполняет Главный инжектор, который раньше «кормил» Тэватрон. Протоны попадают в ускорительное кольцо и направляются на графитовую мишень. Там они разрушают ядра углерода, и в процессе создается множество субатомных частиц, в частности, пионы и антипионы. Пионы [их распад с вероятностью 99,98% дает нейтрино и антинейтрино] уводятся от остальной «смеси» специальными магнитными полями, генерируемыми магнитами, известными как «рога», которые также фокусируют пионы в узкий пучок. На видео подробно объясняется весь этот процесс.
Но почему физики готовы потратить столько лет жизни (и долларов налогоплательщиков) на такие смутные объекты, как нейтрино? Если коротко, то нейтрино – это очень странные частицы. Они не вписываются естественным образом в «базовую» Стандартную Модель. Та вырастает из набора проверенных (хотя и не неуязвимых) симметрий пространства-времени, а вот карты физики нейтрино изобилуют белыми пятнами, где написано «Hic est новая физика». Надеемся, что обновленный нейтринный пучок Фермилаба поможет нанести на карту эти неизведанные земли.
По материалам Gizmag.
На фото: туннель Главного инжектора; внутри детектора нейтрино; один из фокусирующих магнитных «рогов».
Артём Космарский nauka21vek.ru