Денисов С.П., Липаев В.В., Петрухин А.А.

Член-корреспондент РАН С. П. ДЕНИСОВ, начальник отдела ГНЦ "Институт физики высоких энергий" (Протвино), кандидат физико- математических наук В.В. ЛИПАЕВ, старший научный сотрудник того же института

Доктор физико-математических наук А. А. ПЕТРУХИН, профессор Московского инженерно-физического института, кандидат физико- математических наук Р.П. КОКОУЛИН, ведущий научный сотрудник того же института

В подмосковном городе Протвино в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) действует уникальная установка - комплекс меченых нейтрино (КМН). Ее создавали в конце 80-х - начале 90-х годов большим коллективом ученых из России, Италии и Германии для проведения исследований на крупнейшем в России ускорительном комплексе ИФВЭ, позволяющем "разгонять" протоны до энергии 70 млрд. эВ.

Нейтрино образуется в процессе бомбардировки специальной мишени пучком ускоренных протонов при распаде заряженных пи- и К- мезонов * . Если при этом получается еще мю-мезон (мюон), то нейтрино называется мюонным, а если электрон - электронным, и между ними есть определенные отличия.

Распады мезонов происходят в длинной трубе (она так и называется - распадная), в которой поддерживается высокий вакуум, чтобы исключить взаимодействие пучка частиц с воздухом. Обычно сразу за ней устанавливали мощную стальную защиту весом в тысячи и даже десятки тысяч тонн, чтобы поглотить все частицы, кроме нейтрино. Ведь последние очень слабо взаимодействуют с веществом, и несколько десятков или сотен метров для них - не помеха. Затем размещали детектор нейтрино, совмещающий функции мишени, с которой эти частицы сталкиваются, и регистратора продуктов их взаимодействия. Поэтому весь агрегат должен быть очень массивным, чтобы хоть изредка улавливать "невидимок".

Описанная выше стандартная схема проведения экспериментов обладает существенными недостатками: она не позволяет надежно установить такие важные характеристики нейтрино, как энергия, траектория движения и его тип (электронное или мюонное, нейтрино или антинейтрино). Это связано с тем, что в подобных экспериментах регистрируют только факт взаимодействия интересующей ученых частицы с веществом мишени, но не появляется никаких данных о распаде, в котором она образовалась.

Наш комплекс принципиально


--------------------------------------------------------------------------------
* См.: Л. Н. Смирнова. Шаг в XXI век. - Наука в России, 1996, N 1.
--------------------------------------------------------------------------------
отличается от созданных ранее соответствующих установок, поскольку он регистрирует не только само нейтрино от распада К-мезонов, но и образующиеся при этом мюоны или электроны и другие частицы. По характеристикам продуктов такой реакции можно восстановить ее полную картину, в том числе определить тип нейтрино, его энергию и траекторию движения. Следовательно, удается как бы "пометить" (при помощи специальной станции мечения, расположенной за распадной трубой) нужную частицу, связав ее с определенным процессом распада. Такой подход в науке о нейтрино является совершенно новым.

Кроме станции мечения, важной отличительной чертой КМН является использование для регистрации нейтрино большого жидкоаргонового спектрометра (БАРС). Детекторы, работающие по этому принципу, отличаются хорошим энергетическим разрешением и высокой стабильностью характеристик. Их широко применяют в физике высоких энергий, особенно в экспериментах на ускорителях со встречными пучками - коллайдерах, но для регистрации нейтрино они использованы впервые.

БАРС представляет собой конструкцию из двух цилиндрических криогенных сосудов длиной 20 и диаметром 4 м каждый. Напомним, что температура жидкого аргона при давлении пара в 1 атм равна примерно -190 град. С. И в каждом сосуде его содержится около 300 т, причем примеси в нем составляют не более одной миллионной доли. В емкость погружена система электродов, представляющая собой пластины из тонкого алюминия, расположенные перпендикулярно оси БАРСа. Из них нечетные "заземлены", а на четные подается высокое напряжение - 6 кВ. Заряженные частицы (адроны, мюоны и др.), образующиеся при прохождении нейтрино, сталкиваются с атомами аргона и ионизируют их, выбивая электроны. Последние, дрейфуя к высоковольтному электроду, индуцируют на нем электрический сигнал, чья величина пропорциональна числу электронов в зазорах между высоковольтной (сигнальной) и заземленной пластинами, что и позволяет судить о потерях энергии частиц на ионизацию. А так как высоковольтные пластины немонолитны и состоят из 48 отдельных полосок, то есть возможность для каждой из них измерять амплитуду наведенного сигнала. К тому же указанные полоски в соседних электродах повернуты относительно друг друга на 120. И поскольку в БАРСе имеется 288 высоковольтных плоскостей и, соответственно, 13824 канала электроники для регистрации и измерения амплитуды сигналов (все это позволяет восстановить пространственную картину взаимодействия нейтрино), то получается: по всем характеристикам наш детектор - самый крупный жидкоаргоновый спектрометр в мире. Однако его уникальность заключается еще и в том, что он оказался незаменим и в других областях науки.

Например, в последние годы отчетливо проявляются тенденции использования подобных детекторов для изучения частиц космического излучения высоких энергий. И БАРС стал первым, на котором такие исследования проводят регулярно. Эти работы были начаты в 1995 г., но особый размах приобрели после создания учебно-научного центра в области исследований фундаментальных свойств материи в рамках Федеральной целевой программы, принятой в 1997 г. по указу Президента России.

В результате были измерены энергетические характеристики мюонов, с одной стороны несущих полную информацию о спектре лучей из глубин Вселенной, а с другой - позволяющих изучать процессы взаимодействия космических частиц высоких и сверхвысоких энергий с верхними слоями атмосферы Земли.

Новый метод исследований предложен и разработан учеными Московского инженерно-физического института. Суть его заключена в следующем. Мюон с высокой энергией, проходя через детектор, сталкивается с ядрами заполняющего его вещества (в нашем случае - аргон) и обычно образует либо фотон, либо пару частиц - электрон- позитрон. Последние, в свою очередь, взаимодействуя с окружающими атомами, снова рождают фотоны, электроны и позитроны, и процесс приобретает лавинообразный характер. В результате возникают так называемые каскадные ливни; их характеристики, измеряемые спектрометром, позволяют узнать первоначальную энергию мюона. Возможности БАРСа (внушительная толщина, надежная регистрация ливней малых энергий, большая светосила) намного превосходят аналогичные параметры используемых ранее для той же цели установок. Подтверждено это экспериментом, проведенным в 1996-98 гг., когда были зарегистрированы сотни тысяч мюонов с образованием каскадных ливней и получены новые данные о спектре этих частиц в области энергий свыше 1 ТэВ.

Рассмотрим еще один тип столкновения мюонов высоких энергий с ядрами вещества детектора, при котором рождаются мюонные же пары (мюон-антимюон).

Они вместе со своими "родителями" образуют так называемые трайденты (трезубцы). Вероятность такого процесса в десятки тысяч раз меньше, чем образование электрон-позитронных пар. Трайденты пытались выделить во многих экспериментах, однако недостаточная разрешающая способность примененных тогда детекторов не обеспечила получения надежных данных. С помощью же БАРСа этот недостаток удалось ликвидировать. Как оказалось, трайдентов рождается гораздо меньше, чем предсказывали теоретики.

И наконец, третий вид взаимодействия мюонов с веществом - неупругие столкновения. В этом случае ядро просто "разваливается" с образованием вторичных адронов (пи- и К-мезонов и др.). Изучение данного явления принесет важную информацию о строении нуклонов (протонов и нейтронов). Вместе с тем неупругое взаимодействие мюонов с ядрами ведет к образованию ядерно-электромагнитных каскадов, которые по продольным и поперечным размерам сильно отличаются от вышеназванных каскадных ливней, электрон-позитронных пар и фотонов и могут быть надежно идентифицированы в БАРСе. Количественный анализ таких событий очень важен, ибо позволит проверить различные теоретические предсказания.

И это еще не все. Наш суперспектрометр дает возможность исследовать структуру широких атмосферных ливней (ШАЛ) * , образующихся при развитии в атмосфере Земли ядерно-электромагнитных каскадов, инициированных взаимодействием протонов и ядер первичного космического излучения очень высоких энергий. Так, при энергии первичного протона в 10 16 эВ на поверхность

--------------------------------------------------------------------------------
* См.: Г. Б. Жданов. Загадки космического излучения. - Наука в России, 1999, N 2.
--------------------------------------------------------------------------------
нашей планеты одновременно приходят миллионы заряженных частиц, а размеры области, охваченной широким атмосферным ливнем, достигают сотен тысяч квадратных метров.

Обычно детекторы для изучения широких атмосферных ливней представляют собой решетку из нескольких десятков или даже сотен широко разнесенных сцинтилляционных счетчиков (приборов для регистрации и спектрометрии частиц). Для регистрации центральной, наиболее энергичной части этого явления в состав соответствующих установок включают еще тот или иной спектрометрический детектор. Так вот, по площади БАРС сравним, а по пространственному разрешению, чувствительности, возможности регистрировать как отдельные частицы, так и каскадные ливни, прослеживать их развитие по глубине вещества значительно превосходит существующие аналоги, что открывает уникальные возможности исследования пространственных и энергетических характеристик широких атмосферных ливней. С целью проверки возможности работы БАРСа в составе комплекса для регистрации ШАЛ группа сотрудников Института физики высоких энергий, Московского инженерно-физического института и Института ядерных исследований РАН собрала пилотный вариант такой установки, состоящий из 8 счетчиков. И первые измерения на ней подтвердили обоснованность предположений физиков.

Вывод однозначен: БАРС по своим возможностям и техническим характеристикам - уникальный спектрометр, не имеющий аналогов в мире. Его роль в исследовании физической картины мироздания трудно переоценить.