Доклад от подземната лаборатория Гран Сасо в Италия, където се изследват неутринните трептения и се наблюдава неутрино да надвишава скоростта на светлината

Лаборатория Гран Сасо над земята
Експериментална подземна зала OPERA
Робот отнема OPERA детекторни тухли за изследвания, при които неутрино взаимодействат с материята
Система за охлаждане с течен аргон за експеримента ICARUS
Експериментална подземна зала на ICARUS
Планинският масив Гран Сасо, в тунела, под който се намира Националната лаборатория по ядрена физика
Схема на подземни комуникации на лабораторията Гран Сасо
Лаборатория Гран Сасо Конферентен център и масив

„Свръхсветените неутрино бяха забелязани случайно“

Кореспондентът на Gazeta.Ru посети италианската лаборатория на Гран Сасо, която "откри" неутрино, движещи се със свръхсветена скорост. Всъщност лабораторията изследва трансформацията на някои видове неутрино в други, а също така „улавя“ частици тъмна материя. Наблюденията върху скоростта на неутрино са направени случайно и не оказват влияние върху решаването на основните проблеми, важни за разбирането на структурата на Вселената.

Самото съществуване на ултрамодерната международна лаборатория Gran Sasso в италианската пустош (в Абруцо, до средата на 20-ти век асфалтовите пътища могат да се броят от една страна) си заслужава отделна история. Първо, в дълбините на най-високата планинска верига на Апенините (почти 3 хиляди метра над морското равнище) те построили автомобилен тунел, който свързвал Рим с Адриатическото крайбрежие. Строителството започва през 1968 г., когато никой дори не е мислил за лабораторията. Или почти никой: теориите на конспирацията казват, че бащата-основател на лабораторията, бивш директор на Италианския национален институт по ядрена физика и световноизвестен учен Антонио Зикики лобира за изграждането на тунел за автомобили точно на това място и точно в посоката идеален за "улавяне" на неутрино, от CERN. Както и да е, през 1982 г. започна строителството на подземните лабораторни зали, което струва на бюджета 77 милиарда лири (около 40 милиона евро). През 1989 г. започват първите мащабни експерименти, а за 2006 г. Националната лаборатория Гран Сасо има водеща роля като най-голямата подземна физическа лаборатория в света.

Сега в сърцето на планинския Абруцо - по средата между тях L'Aquiloy, страда от опустошително земетресение, а в Терамо, където рядък човек знае английски, работят 750 учени от 24 държави.

Защо физиците трябва да се крият под двукилометров слой скала? За да се предпазя от максималния диапазон от частици и да се фокусирам върху най-неуловими като неутрино и частици от тъмна материя. Всички обикновени частици - електрони, протони, позитрони - взаимодействат с материята, губейки енергия и не могат да "пробият" дебелината на скалата. Но неутрино са частици с много малко напречно сечение на взаимодействието. Това означава, че те преминават през всякакви стени - всяка секунда около 10 14 неутрино, излъчвани от Слънцето, преминават през тялото на всеки човек на Земята. Така пречистен неутрино поток влиза в лабораторията под планината и физиците трябва да го хванат. Други обсерватории за неутрино използват същите методи за почистване: американската Кубче лед криейки се под слой антарктически лед на гара Амундсен-Скот и многострадалния съветски Обсерватория за неутрино Баксан се намира в планината Андирчи в Кабардино-Балкария. Още по-трудно е с частиците на тъмната материя: тяхната природа е неизвестна, но под земята, където няма обикновени частици, устройствата могат да бъдат в състояние да измерват "вятъра" на тази неизвестна.

В Гран Сасо има няколко експеримента, изучаващи неутрино, но най-известната работа е не с неутрино с космически лъчи, а с ясен лъч, който преминава на 730 км под земята от източника в ЦЕРН до италианската лаборатория. Този проект се нарича CNGS - CERN Neutrinos to Gran Sasso. Двата най-големи детектора, които работят с този лъч, са ICARUS и са известни в целия свят със своите "Свръхсветени" неутрино ОПЕРА. Учените ги наричат цифрови и аналогови камери за неутрино.

Детекторът OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparat) открива взаимодействия на неутрино с материя в така наречените тухли, направени от олово. Този метал е избран, за да увеличи вероятността от взаимодействие. Специални екрани проследяват кои от тухлите може да са имали супер рядко събитие - взаимодействие с неутрино и след това специален робот извлича необходимата тухла за проучване. Една тухла винаги с размери 8 на 12 см тежи 8,5 кг. Детекторът е структуриран по следния начин: двата му супермодула са цели, зад които са мюонни спектрометри. Тухлите са цели: има повече от 150 хиляди от тях, те са комбинирани в 58 стени. Стените са покрити със светлочувствителни елементи, които служат на същата цел - да открият траекторията на частицата. Детектори ICARUS - два гигантски резервоара с 600 тона свръхчист течен аргон.

И двата експеримента изследват неутринните трептения - преходът на един вид неутрино към друг.

„Сякаш момчетата стават момичета - и обратно. Само неутрино имат не два "пола", а повече. Тук тестваме предположението, че "полът" на неутрино е променлив: те могат да преминат едно в друго. Това явление се нарича неутринни трептения “, казва Михаил Чернявски, доктор по физика и математика, водещ изследовател във Физическия институт на Руската академия на науките, член на колаборацията OPERA, стоящ в огромна, като пещерата Нов Атон, под земята лабораторна зала. Тук, като в пещера, отеква и има постоянна температура и влажност през цялата година.

OPERA наблюдава как мюонните неутрино, изпратени през скалата до Италия от SPS ускорителя от ЦЕРН, се превръщат в тау неутрино.

„В SPS (супер протонен синхротрон) протонният лъч се ускорява до енергия от 400 GeV и се насочва към неподвижна графитна мишена. При удара се образуват редица краткотрайни частици - пиони (π) и каони (K). Те са фокусирани и насочени към Гран Сасо. В резултат на разпадането на π + и K + се образува неутринен лъч, движещ се в почти същата посока като частиците, които са го генерирали. Средната енергия на частиците в лъча е 17,4 GeV и почти изцяло се състои от мюонни неутрино - само няколко процента са анти-мюонни, електронни и анти-електронни неутрино “, казва Чернявски.

Необходима е огромна маса детектори, за да се увеличи вероятността от фиксиране на такова малко вероятно събитие като взаимодействието на неутрино с материята. OPERA регистрира около 30 мюонни неутрино взаимодействия на ден, докато тау неутрино са много по-редки, само няколко на година. Всяка тухла, „подозирана“ за взаимодействие, се отстранява от детектора и се изследва внимателно. Също така, чувствителните към светлина слоеве позволяват да се проследи пътя на частицата. Болезнени роботи, сортиращи тухли, донякъде подобни на "храненето" във филма "Матрицата", работещи денем и нощем.

ICARUS (Imaging Cosmic and Rare Underground signal), проектиран по плана на нобеловия лауреат Карло Рубия, работи по различен начин: в него пътят на заредена частица - следа - се проследява в течен аргон, разположен между катода и анода.

„Наблюдението на неутринните трептения - въпреки че досега сме регистрирали само няколко събития - е необходимо, за да се изследват основните му свойства, по-специално масата“, казва Еторе Сегрето, физик от Италианския институт по ядрена физика.

Сега активната фаза на експеримента CNGS - неутрино от ЦЕРН до Гран Сасо - е в принудителна ваканция, тъй като целият комплекс за ускорител на ЦЕРН е затворен от няколко години за надграждане на Големия адронен колайдер. Физиците обаче използват това време за анализ на данни, чието събиране винаги е преди обработката. И така, можем да се надяваме на нови резултати от изследването на неутринните трептения още тази година.