Леонид Семенович Ширшов - научный сотрудник ИФВЭ.

ГРУППА из пятнадцати сотрудников Института физики высоких энергий из подмосковного Протвино и четырех исследователей из Московского инженерно-физического института под руководством члена-корреспондента РАН Сергея Денисова ведет набор статистики и обеспечивает работоспособность уникальной установки - Большого аргонного спектрометра (БАРС). Физическая программа исследований посвящена поиску особенностей в распределении мюонов по энергиям. Эти элементарные частицы входят в состав космического излучения.

БАРС, настроенный на регистрацию мюонов космического происхождения, начал сеанс непрерывного наблюдения в марте 1997 г. Для разработчиков аппаратуры представляет интерес длительное функционирование электроники в условиях, максимально приближенных к "боевым".

Спектрометр БАРС стал новой вехой в развитии методики экспериментов с космическими частицами высоких энергий. В продолжающемся сеансе исследуется энергетический спектр космических мюонов при энергиях, превышающих достигнутый на ускорителях уровень 1 ТэВ (1012 электрон-вольт). Хорошее координатно-энергетическое разрешение событий позволяет достаточно подробно исследовать, сколько пролетело частиц и какая у них энергия.

Каждый час установка регистрирует около 400 событий, и одна из задач эксперимента - изучение вариации потока мюонов и причин, вызывающих эти изменения. Время жизни мюона в покое немногим более двух миллионных долей секунды, но при большой скорости этот показатель увеличивается. Мюоны практически не взаимодействуют с веществом и уносятся дальше по своим траекториям, но быстрая электроника выдает полезный сигнал, оценивая энергию частицы по величине ионизации. Установка БАРС имеет десятки тысяч измерительных каналов, по которым поступает сигнал в случае срабатывания датчика на пролет мюона.

Ценность эксперимента на установке БАРС состоит в том, что статистика по космическим мюонам, сопоставимая по объему с мировой, набирается на одном приборе. Это снижает вероятность ошибки. Когда проходит широкий атмосферный ливень (ШАЛ), на БАРСе выпадает "мюонный дождь", и информация об этом событии, показанная на экране дисплея, напоминает свечение северного сияния. Энергия космических частиц может превышать десятки ТэВ, и достоинством БАРСа является возможность детально изучать структуру ШАЛ. Это перспективное направление работ, которые будут проводиться в сотрудничестве со специалистами по космическим лучам из Германии, Италии и ряда институтов России.

Космическое излучение открыли в начале века, и оно послужило базой (с конца 20-х до начала 50-х гг.) для экспериментальной физики высоких энергий. Например, мюоны были обнаружены в космических лучах в 30-х гг. Новым источником частиц высоких энергий стали ускорители, которые позволяют получить интенсивные пучки заряженных частиц с заданными параметрами. Однако энергия частиц, достигаемая на ускорителях, значительно уступает энергии частиц, приходящих из космоса. Таким образом, космические частицы играют роль своеобразных носителей информации о природе Вселенной. И эту информацию затем можно перепроверить с помощью ускорителей.

Создатели ускорителей в погоне за все большими энергиями увеличивали размеры этих физических приборов. Так, большой электрон-позитронный коллайдер ("сталкиватель" элементарных частиц) LЕP 2 Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, размещен под землей в туннеле протяженностью более 27 км. Энергия встречных пучков легких частиц достигла уровня 100 ГэВ (100 х 109 электрон-вольт).

Установки типа LEP 2 называют фабриками по производству элементарных частиц. Масштаб деятельности таких научных фабрик сопоставим по затратам с индустрией отдельных стран и превосходит энергопотребление крупных заводов, на выходе которых - материальный продукт, а не график, например, отражающий особенности взаимодействия лептонов.

В настоящее время в США обсуждается возможность разработки ускорителя в трубке небольшого диаметра (pipetron) и длиной свыше 1 тыс. км. В стадии выбора параметров находится проект мюонного коллайдера. И все эти новые установки создаются для понимания фундаментального устройства мира и поиска тех "кирпичиков", из которых создано мироздание. Но размеры планируемых и сооружаемых ускорителей постоянно увеличиваются. Да и объекты, предназначенные для исследования космических лучей, занимают все большие территории. Так, для наблюдения за развитием ШАЛ детекторы стали устанавливать на площадях в сотни квадратных километров.

В последнее время наблюдается тенденция к объединению экспериментальной базы ускорителей заряженных частиц и установок по наблюдению за космическим излучением. Сейчас предлагается создать многоцелевую установку FELIX, которая будет предназначена как для работы на создаваемом в ЦЕРН большом адронном коллайдере (LHC), так и для наблюдения за мюонами и нейтрино в космических лучах. Где и каким образом космические лучи приобретают энергию выше 1 ПэВ (10 ТэВ) - одна из самых интересных проблем астрофизики.

В определенном смысле БАРС проторил тропу для остальных и стал пионером. Сейчас проектируются установка ATLAS и компактный мюонный соленоид CMS (The Compact Muon Solenoid) - установки следующего поколения, рассчитанные для работы на LHC. Впрочем, насчет компактности CMS его создатели пошутили: длина сверхпроводящего соленоида составляет 13 м, а внутренний диаметр 5,9 м. Для предварительного охлаждения обмотки потребуется буферный резервуар вместительностью 5 тыс. л жидкого гелия.

Масштабы приборов и проводимых экспериментов изменились. Для примера: в создании установки ATLAS участвуют свыше 1600 специалистов из 148 институтов более чем 30 стран. Все глубже внутрь материи и все эже взгляд на мир. Дробление общего на частности приводит к мозаичности восприятия мира. Отсюда возникает и растет недоверие к науке сегодняшней, которая вместо цельного восприятия мира нередко предлагает сенсационные частности.

На вопрос о физической программе исследований с помощью нового прибора и о том, какие "материки" микромира поможет открыть и описать новый ATLAS, можно ответить так: основная задача будущих экспериментов - поиск массивной частицы Хиггса, предсказанной теоретиками. Эта частица, как полагают, "наделяет" массой все другие объекты микромира.

Спектрометр БАРС создавался в 80-х гг. как элемент комплекса меченых нейтрино. В криостате БАРСа, весящем 40 т, находится около 200 т жидкого аргона высокой чистоты (примеси не превышают 0,0001%). В ядерной технике oн используется для жидкостных ионизационных камер, что требует его охлаждения на более чем 200ОC ниже привычной (комнатной) температуры.

Для поддержания рабочей температуры БAPCa требуется около 1 т жидкого азота в сутки. Сегодня это проблема для исследователей. Ранее криогенный цех ИФВЭ сжижал жидкий гелий и водород, а жидкий азот поставлялся без ограничений и стоил намного дешевле остальных криопродуктов (менее 10 коп./л по старым деньгам). Сейчас стоимость электроэнергии возросла и соответственно увеличилась цена криопродуктов, а число потребителей сократилось и сразу возник вопрос о судьбе "криогенки". Одно время даже стоял вопрос о ее закрытии и продаже аргона потребителям на сторону. Установка, даже удачно сконструированная, требует постоянного внимания и периодической модернизации, а из-за отсутствия средств энтузиазм исследователей постоянно сталкивается с реалиями быта. И все-таки, есть надежда, что переход от активного исследования микромира с помощью ускорителя к поиску нового в космическом излучении позволит коллективу исследователей продолжить работы на современном уровне.

Протвино

(С) "НГ-Наука" (НГН), электронная версия приложения к "НГ" (ЭВНГН). Номер 002 (6) от 04 февраля 1998 г., среда. Полоса 4.