Что принесешь нам, НЕВОД?
НАУКА / НОЯБРЬ #8_2023
Текст: Максим ГРЕВЦЕВ / Фото: НИЯУ МИФИ, ТАСС
На фото: Черенковский водный детектор-калориметр объемом 2 тыс. м3 с квазисферическими модулями. Экспериментальный комплекс НЕВОД, НИЯУ МИФИ
НЕВОД — так называется экспериментальный комплекс НИЯУ МИФИ, встречающий 2024 год серьезно модернизированным. Он на порядок миниатюрнее других установок по изучению космических лучей, и именно ему предстоит разгадать мюонную загадку, заглянуть в самый ранний этап развития Вселенной и, возможно, найти тропинку к «новой физике». Какую же золотую рыбку поймают своим НЕВОДом российские физики?
Мюоны помогли обнаружить потайные камеры внутри египетских пирамид, а недавно — и в Успенском Псково-Печерском монастыре; с их помощью изучают вулканы и циклоны, предсказывают природные катаклизмы; благодаря им таможенники могут обнаружить радиоактивный материал в контейнере без физического досмотра, атомщики — оценить состояние реакторов. Кажется, о частице, открытой в 1936 году и активно используемой по всему миру, ученые знают все. Однако это не так.
Если коротко, то мюоны — это элементарные частицы, имеющие такой же заряд, как электроны, но в 207 раз тяжелее. Еще одно отличие — время жизни: у электрона оно более 6,6×1028 лет (для сравнения: возраст Вселенной — 1,4×1010 лет), а у мюона — 2,2 микросекунды (он долгожитель в мире элементарных частиц, именно поэтому так любимый исследователями).
Но есть у мюона, как минимум, две аномальные характеристики, не соответствующие теоретическим представлениям о них. Первая — аномальный магнетизм, возможно, свидетельствующий о существовании частиц или взаимодействий, пока не известных ученым (явление доказано международной группой исследователей Muon g‑2). Уже долгое время физики пытаются выйти за рамки Стандартной модели и приблизиться к «новой физике», поэтому мюоны изучаются всё активнее. Вторая характеристика — та самая мюонная загадка, сформулированная в МИФИ.
Если коротко, то мюоны — это элементарные частицы, имеющие такой же заряд, как электроны, но в 207 раз тяжелее. Еще одно отличие — время жизни: у электрона оно более 6,6×1028 лет (для сравнения: возраст Вселенной — 1,4×1010 лет), а у мюона — 2,2 микросекунды (он долгожитель в мире элементарных частиц, именно поэтому так любимый исследователями).
Но есть у мюона, как минимум, две аномальные характеристики, не соответствующие теоретическим представлениям о них. Первая — аномальный магнетизм, возможно, свидетельствующий о существовании частиц или взаимодействий, пока не известных ученым (явление доказано международной группой исследователей Muon g‑2). Уже долгое время физики пытаются выйти за рамки Стандартной модели и приблизиться к «новой физике», поэтому мюоны изучаются всё активнее. Вторая характеристика — та самая мюонная загадка, сформулированная в МИФИ.
Мюонная загадка
Ежесекундно на Землю обрушивается поток заряженных частиц, рожденных и ускоренных в разных уголках Вселенной. Это и заряженные (протоны, ядра, электроны), и нейтральные (нейтрино) частицы, и электромагнитное излучение (гамма-кванты). Все это — космические лучи. Взаимодействуя с ядрами атомов в атмосфере, они запускают каскадную реакцию, приводящую к рождению новых частиц. Сначала появляются пионы и каоны; распадаясь, они рождают мюоны. Мюонов так много, что французский физик Пьер Оже поэтично назвал это явление широкими атмосферными ливнями (ШАЛ) вторичных космических частиц (термин прижился и активно используется).
Ежесекундно на Землю обрушивается поток заряженных частиц, рожденных и ускоренных в разных уголках Вселенной. Это и заряженные (протоны, ядра, электроны), и нейтральные (нейтрино) частицы, и электромагнитное излучение (гамма-кванты). Все это — космические лучи. Взаимодействуя с ядрами атомов в атмосфере, они запускают каскадную реакцию, приводящую к рождению новых частиц. Сначала появляются пионы и каоны; распадаясь, они рождают мюоны. Мюонов так много, что французский физик Пьер Оже поэтично назвал это явление широкими атмосферными ливнями (ШАЛ) вторичных космических частиц (термин прижился и активно используется).
Комментарий эксперта
Анатолий ПЕТРУХИН
руководитель экспериментального комплекса НЕВОД
«Кинетическая энергия первичной частицы превращается в массу и энергию новых частиц. Это отличная иллюстрация того, как работает формула Е=мс2. Одна высокоэнергичная частица может сгенерировать миллиарды миллиардов новых, или вторичных, частиц. Получившийся каскад накрывает десятки квадратных километров».
Исследователи в МИФИ изучают мюоны именно для того, чтобы подобраться к космическим лучам, точнее — к первичным частицам высоких энергий. На поверхности Земли детектировать такие частицы невозможно, поэтому приходится «ловить» каскады вторичных частиц и на основе их анализа оценивать энергию первичной частицы. Похожие работы ведутся уже несколько десятилетий по всему миру, и существует несколько моделей развития ШАЛ. Они построены на данных, полученных на ускорительных установках (например, Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, в Брукхейвенской национальной лаборатории в США), поэтому довольно хорошо описывают ливни, порожденные частицами с энергиями до 1017 эВ (сегодня это предел ускорительных возможностей).
Но когда речь заходит о частицах сверхвысоких и ультравысоких энергий, реальность и теоретические модели расходятся. В 2002—2007 годах физики МИФИ получили достаточный объем экспериментальных данных: была измерена зависимость изменения количества мюонов от энергии в очень широкой области 3×1014-3×1018 эВ. И оказалось, что мюонов существенно больше, чем предсказывают модели, и их избыток увеличивается с ростом энергии. Именно этот результат и получил название мюонной загадки.
Поначалу научный мир прохладно встретил российский результат, но вскоре он подтвердился: сначала Международная обсерватория Пьера Оже, самая крупная установка по изучению космических лучей (расположена в Аргентине), а затем и американская нейтринная обсерватория IceCube (находится во льдах Антарктиды) получили аналогичные данные. Секрет относительно компактной российской установки прост: крупнейшие в мире комплексы регистрируют поток космических лучей сверху (вблизи вертикали), а НЕВОД регистрирует частицы, приходящие под большими зенитными углами, вплоть до горизонта. При таких зенитных углах, благодаря свойствам атмосферы, статистику регистрируемых событий определяют не размер детектора, а поперечные размеры ШАЛ, вблизи горизонта достигающие десятков километров.
В последующие годы было выдвинуто несколько версий о причинах избытка мюонов; для того чтобы проверить их, необходимы новые экспериментальные данные. Сегодня их можно получить только на модернизированной установке МИФИ.
Но когда речь заходит о частицах сверхвысоких и ультравысоких энергий, реальность и теоретические модели расходятся. В 2002—2007 годах физики МИФИ получили достаточный объем экспериментальных данных: была измерена зависимость изменения количества мюонов от энергии в очень широкой области 3×1014-3×1018 эВ. И оказалось, что мюонов существенно больше, чем предсказывают модели, и их избыток увеличивается с ростом энергии. Именно этот результат и получил название мюонной загадки.
Поначалу научный мир прохладно встретил российский результат, но вскоре он подтвердился: сначала Международная обсерватория Пьера Оже, самая крупная установка по изучению космических лучей (расположена в Аргентине), а затем и американская нейтринная обсерватория IceCube (находится во льдах Антарктиды) получили аналогичные данные. Секрет относительно компактной российской установки прост: крупнейшие в мире комплексы регистрируют поток космических лучей сверху (вблизи вертикали), а НЕВОД регистрирует частицы, приходящие под большими зенитными углами, вплоть до горизонта. При таких зенитных углах, благодаря свойствам атмосферы, статистику регистрируемых событий определяют не размер детектора, а поперечные размеры ШАЛ, вблизи горизонта достигающие десятков километров.
В последующие годы было выдвинуто несколько версий о причинах избытка мюонов; для того чтобы проверить их, необходимы новые экспериментальные данные. Сегодня их можно получить только на модернизированной установке МИФИ.
Каким НЕВОДом «рыбачат» в МИФИ
Есть на территории МИФИ необычное четырехэтажное здание, внутри которого расположен экспериментальный комплекс НЕВОД, входящий в список уникальных научных установок РФ.
Ядро комплекса — черенковский водный детектор-калориметр объемом 2 тыс. м3 с квазисферическими модулями. Его задача — измерять энерговыделение частиц, проходящих через водный объем детектора. Энерговыделение зависит как от количества частиц, так и от их энергии. Если есть возможность независимо измерить количество частиц другим детектором, можно оценить их среднюю энергию.
Такой детектор — ДЕКОР, состоящий из стримерных трубок; он фиксирует количество частиц, энерговыделение которых измеряет НЕВОД. Благодаря его появлению ученые и смогли сформулировать мюонную загадку. Стримерные трубки ДЕКОРа расположены на внешних стенках бассейна и формируют измерительные модули, висящие вертикально и обеспечивающие таким образом наилучшие условия для регистрации мюонов, летящих вблизи горизонта. Их суммарная площадь — 70 м2.
Наличие двух независимых детекторов, регистрирующих одновременно количество мюонов и их энерговыделение, открывает путь к решению мюонной загадки. Первые результаты показали, что при сверхускорительных энергиях космических лучей одновременно с увеличением количества мюонов растет и их энергия, т. е. чем больше избыток мюонов, тем больше в нем высокоэнергичных частиц. Это может свидетельствовать о включении какого-то нового процесса генерации мюонов.
Проблема в том, что ДЕКОР не перекрывает весь объем бассейна, т. е. количество мюонов изначально определяется с погрешностью. Да и сами стримерные трубки не могут «увидеть» отдельные частицы, если расстояние между ними меньше 3 см. Чтобы повысить точность, создается новый координатный детектор ТРЕК. У него и площадь больше (250 м2), и «зрение» лучше: он может различать частицы, если между ними всего 3 мм, с точностью 1 мм по координате и 1,5 ° — по углу, при этом работает с потоком высокой плотности — до 10 и более частиц на 1 м2.
Одновременно модернизируется и черенковский водный калориметр НЕВОД. Увеличивается количество модулей и меняется структура их размещения, для того чтобы более равномерно собирать черенковское излучение по всему объему бассейна. Снаружи, на площади 10 тыс. м2, установлены детекторы НЕВОД-ШАЛ, фиксирующие плотность всех частиц в ШАЛ и дающие представление о том, попала в НЕВОД центральная часть ливня или его периферия (это важно для построения модели).
Комплексный анализ данных всех этих детекторов и должен пролить свет на то, с чем связан избыток мюонов.
Есть на территории МИФИ необычное четырехэтажное здание, внутри которого расположен экспериментальный комплекс НЕВОД, входящий в список уникальных научных установок РФ.
Ядро комплекса — черенковский водный детектор-калориметр объемом 2 тыс. м3 с квазисферическими модулями. Его задача — измерять энерговыделение частиц, проходящих через водный объем детектора. Энерговыделение зависит как от количества частиц, так и от их энергии. Если есть возможность независимо измерить количество частиц другим детектором, можно оценить их среднюю энергию.
Такой детектор — ДЕКОР, состоящий из стримерных трубок; он фиксирует количество частиц, энерговыделение которых измеряет НЕВОД. Благодаря его появлению ученые и смогли сформулировать мюонную загадку. Стримерные трубки ДЕКОРа расположены на внешних стенках бассейна и формируют измерительные модули, висящие вертикально и обеспечивающие таким образом наилучшие условия для регистрации мюонов, летящих вблизи горизонта. Их суммарная площадь — 70 м2.
Наличие двух независимых детекторов, регистрирующих одновременно количество мюонов и их энерговыделение, открывает путь к решению мюонной загадки. Первые результаты показали, что при сверхускорительных энергиях космических лучей одновременно с увеличением количества мюонов растет и их энергия, т. е. чем больше избыток мюонов, тем больше в нем высокоэнергичных частиц. Это может свидетельствовать о включении какого-то нового процесса генерации мюонов.
Проблема в том, что ДЕКОР не перекрывает весь объем бассейна, т. е. количество мюонов изначально определяется с погрешностью. Да и сами стримерные трубки не могут «увидеть» отдельные частицы, если расстояние между ними меньше 3 см. Чтобы повысить точность, создается новый координатный детектор ТРЕК. У него и площадь больше (250 м2), и «зрение» лучше: он может различать частицы, если между ними всего 3 мм, с точностью 1 мм по координате и 1,5 ° — по углу, при этом работает с потоком высокой плотности — до 10 и более частиц на 1 м2.
Одновременно модернизируется и черенковский водный калориметр НЕВОД. Увеличивается количество модулей и меняется структура их размещения, для того чтобы более равномерно собирать черенковское излучение по всему объему бассейна. Снаружи, на площади 10 тыс. м2, установлены детекторы НЕВОД-ШАЛ, фиксирующие плотность всех частиц в ШАЛ и дающие представление о том, попала в НЕВОД центральная часть ливня или его периферия (это важно для построения модели).
Комплексный анализ данных всех этих детекторов и должен пролить свет на то, с чем связан избыток мюонов.
Разговор о нейтрино
Большой физике НЕВОД (НЕйтринный ВОдный Детектор) уже знаком: в 1995 году он впервые в мире смог зарегистрировать нейтрино на поверхности Земли. Нейтрино — это удивительные частицы, практически не взаимодействующие с материей, проходящие насквозь всю планету. Поэтому, чтобы поймать космическое нейтрино, нужно избавиться от фона — большого количества других частиц, летящих из космоса; именно с этой целью нейтринные детекторы погружают глубоко под воду (Baikal-GVD на Байкале, Antares в Средиземном море) либо глубоко под лед (IceCUBE в Антарктиде). Однако именно НЕВОД, расположенный не на глубине, а на поверхности Земли, смог нейтрализовать фон (поток космических частиц) и поймать нейтрино, пришедшее снизу (одна частица на 1010 частиц фона).
Разговор о нейтрино не случаен: космические лучи, преодолевая миллионы световых лет, взаимодействуют с магнитными полями и реликтовым излучением, меняя свою линейную траекторию. Поэтому ученым трудно понять, откуда они летят, где родились. Чтобы ответить на этот вопрос, данные ШАЛ сопоставляют с данными нейтринных телескопов (предполагается, что при рождении частиц ультравысоких энергий появляются и нейтрино), поэтому по траектории движения нейтрино можно определить, где находится источник космических частиц.
Разговор о нейтрино не случаен: космические лучи, преодолевая миллионы световых лет, взаимодействуют с магнитными полями и реликтовым излучением, меняя свою линейную траекторию. Поэтому ученым трудно понять, откуда они летят, где родились. Чтобы ответить на этот вопрос, данные ШАЛ сопоставляют с данными нейтринных телескопов (предполагается, что при рождении частиц ультравысоких энергий появляются и нейтрино), поэтому по траектории движения нейтрино можно определить, где находится источник космических частиц.
Предвкушение мюонной разгадки
Существование мюонной загадки подтверждено на пяти экспериментальных установках, поэтому новые данные комплекса НЕВОД-ДЕКОР-ТРЕК вряд ли опровергнут сам факт избытка мюонов; скорее всего, они станут основой для новых, более точных моделей ШАЛ. Вероятнее всего, в генерации мюонов есть нечто, не учитываемое сегодня моделями: либо неизвестные частицы, либо типы взаимодействия (маловероятно), либо столкновение космических частиц с атомами в атмосфере сопровождается фазовыми переходами одной формы материи в другую.
«Вероятнее всего, частицы сверхвысоких энергий при взаимодействии как бы слипаются. Ядра превращаются в кипящий бульон из кварков и глюонов — частиц, являющихся носителями сильного взаимодействия. В науке такое состояние материи называется кварк-глюонной плазмой. Причем сгустки плазмы вращаются, возникает орбитальный момент и, соответственно, центробежный барьер, не позволяющий легким частицам покинуть эти сгустки. Но энергия сгустков так велика, что вместе с обычными u- и d-кварками, из которых состоят протоны и нейтроны, рождаются другие, более тяжелые кварки, включая t-кварки, масса которых в 10 тыс. раз больше. Тяжелым кваркам легче преодолеть центробежный барьер и вылететь из сгустка. Это и есть новый механизм ядро-ядерного взаимодействия, который сейчас модели ШАЛ не учитывают. Он может оказаться причиной избытка мюонов», — поясняет руководитель экспериментального комплекса НЕВОД Анатолий Петрухин.
Кварк-глюонная плазма — то состояние материи, в котором находилась Вселенная в первые 10-11-10-6 секунд после Большого взрыва. Фазовые переходы (условия, при которых материя переходит в другое состояние и выходит из него) — один из главных вопросов физики. В Объединенном институте ядерных исследований в Дубне завершается сборка коллайдера NICA: там ядра тяжелых элементов, например золота, будут сталкиваться друг с другом и, как ожидается, переходить в состояние кварк-глюонной плазмы. Впервые ее зафиксировали на Большом адронном коллайдере, на котором ядра получают большую энергию (2,76 ТэВ на нуклон). На NICA тяжелые ядра будут ускоряться «всего» до 4,5 ГэВ на нуклон, протоны — до 12,6 ГэВ, и плотность плазмы будет очень высокой — около 20 млрд тонн в 1 см3 (сопоставимо с плотностью нейтронных звезд). Поэтому зафиксировать фазовые переходы будет легче, исследователи на NICA смогут выяснить, как меняются свойства вторичных частиц в зависимости от энергии и размеров сталкивающихся ядер.
Существование мюонной загадки подтверждено на пяти экспериментальных установках, поэтому новые данные комплекса НЕВОД-ДЕКОР-ТРЕК вряд ли опровергнут сам факт избытка мюонов; скорее всего, они станут основой для новых, более точных моделей ШАЛ. Вероятнее всего, в генерации мюонов есть нечто, не учитываемое сегодня моделями: либо неизвестные частицы, либо типы взаимодействия (маловероятно), либо столкновение космических частиц с атомами в атмосфере сопровождается фазовыми переходами одной формы материи в другую.
«Вероятнее всего, частицы сверхвысоких энергий при взаимодействии как бы слипаются. Ядра превращаются в кипящий бульон из кварков и глюонов — частиц, являющихся носителями сильного взаимодействия. В науке такое состояние материи называется кварк-глюонной плазмой. Причем сгустки плазмы вращаются, возникает орбитальный момент и, соответственно, центробежный барьер, не позволяющий легким частицам покинуть эти сгустки. Но энергия сгустков так велика, что вместе с обычными u- и d-кварками, из которых состоят протоны и нейтроны, рождаются другие, более тяжелые кварки, включая t-кварки, масса которых в 10 тыс. раз больше. Тяжелым кваркам легче преодолеть центробежный барьер и вылететь из сгустка. Это и есть новый механизм ядро-ядерного взаимодействия, который сейчас модели ШАЛ не учитывают. Он может оказаться причиной избытка мюонов», — поясняет руководитель экспериментального комплекса НЕВОД Анатолий Петрухин.
Кварк-глюонная плазма — то состояние материи, в котором находилась Вселенная в первые 10-11-10-6 секунд после Большого взрыва. Фазовые переходы (условия, при которых материя переходит в другое состояние и выходит из него) — один из главных вопросов физики. В Объединенном институте ядерных исследований в Дубне завершается сборка коллайдера NICA: там ядра тяжелых элементов, например золота, будут сталкиваться друг с другом и, как ожидается, переходить в состояние кварк-глюонной плазмы. Впервые ее зафиксировали на Большом адронном коллайдере, на котором ядра получают большую энергию (2,76 ТэВ на нуклон). На NICA тяжелые ядра будут ускоряться «всего» до 4,5 ГэВ на нуклон, протоны — до 12,6 ГэВ, и плотность плазмы будет очень высокой — около 20 млрд тонн в 1 см3 (сопоставимо с плотностью нейтронных звезд). Поэтому зафиксировать фазовые переходы будет легче, исследователи на NICA смогут выяснить, как меняются свойства вторичных частиц в зависимости от энергии и размеров сталкивающихся ядер.
По сути, ученые МИФИ и ОИЯИ идут навстречу друг другу: первые на основе данных по вторичным частицам хотят узнать, какими были первичные частицы; а вторые, наоборот, точно знают первичные частицы и хотят изучать вторичные. Эксперимент в МИФИ Анатолий Сидорин, заместитель начальника Ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий (ЛФВЭ) ОИЯИ по научной работе, прокомментировал так: «Нет никаких сомнений в том, что островки кварк-глюонной плазмы постоянно возникают в атмосфере под действием космических лучей, и попробовать уловить следы этого процесса на поверхности Земли — задача фантастически интересная».
Получается, что в ближайшие годы именно российские установки предоставят ученым данные, способные изменить наше понимание взаимодействия частиц с экстремально высокими энергиями. Оба исследовательских комплекса будут запущены в 2024 году. «В I квартале следующего года мы начнем наладку детектора ТРЕК и к концу года надеемся получить первый массив данных. Публикации появятся в 2025 году, и это точно будет интересно. У НЕВОДа нет аналогов, поэтому нашими данными будут пользоваться ученые по всему миру. Это и есть большая наука», — прогнозирует А. Петрухин. Именно эту золотую рыбку хотят поймать в МИФИ НЕВОДом. Будем надеяться, что сказка увенчается счастливым концом.
Получается, что в ближайшие годы именно российские установки предоставят ученым данные, способные изменить наше понимание взаимодействия частиц с экстремально высокими энергиями. Оба исследовательских комплекса будут запущены в 2024 году. «В I квартале следующего года мы начнем наладку детектора ТРЕК и к концу года надеемся получить первый массив данных. Публикации появятся в 2025 году, и это точно будет интересно. У НЕВОДа нет аналогов, поэтому нашими данными будут пользоваться ученые по всему миру. Это и есть большая наука», — прогнозирует А. Петрухин. Именно эту золотую рыбку хотят поймать в МИФИ НЕВОДом. Будем надеяться, что сказка увенчается счастливым концом.
Экспериментальная преемственность
Любопытно, что экспериментальный комплекс НЕВОД дает вторую жизнь аппаратуре, которая уже послужила науке. Так, сцинтиляционные детекторы НЕВОД-ШАЛ использовались в детекторе CASKADE в Карслруэ (Германия), а еще раньше — в итальянских Альпах; стримерные камеры ДЕКОРа ранее располагались под Монбланом: в 1982—1986 годах там проводился эксперимент NUSEX, призванный установить распад протонов; а ТРЕК включает многопроволочные дрейфовые камеры, ранее стоявшие на нейтринном канале легендарного протонного синхротрона У‑70 в Институте физики высоких энергий (Протвино).
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ