CC BY
90
УДК 539.12+539(09)
ИССЛЕДОВАТЕЛЬ НЕЙТРИНО (Моисей Александрович Марков)
© А.И. Стерелюхин, В.А. Федоров, А.Д. Березнер
Ключевые слова: нейтрино; Рассказово; академик; слабое взаимодействие.
Рассматриваются труды академика М.А. Маркова в исследовании одной из самых загадочных фундаментальных частиц - нейтрино.
Нейтрино - одна из самых неуловимых в физических экспериментах фундаментальных частиц. Ее существование было предсказано итальянским физиком-теоретиком В. Паули в 1931 г. из анализа взаимодействий известных к тому времени элементарных частиц. В некоторых реакциях, казалось, нарушался закон сохранения энергии. Паули пришлось предположить, что недостающую часть энергии уносит некая нейтральная частица очень малой массы - нейтрино.
Регистрация и идентификация этих частиц затруднены тем, что масса этой частицы весьма мала, и, главное, она нейтральна. Впрочем, надо говорить о нескольких типах нейтрино.
Самым активным исследователем нейтрино был советский физик, наш земляк - академик Моисей Александрович Марков. М.А. Марков родился 13 мая 1908 г. в селе Рассказово Тамбовской области. В письме к работникам Тамбовского областного краеведческого музея ученый вспоминал: «Мой отец Марков Александр Родионович был вначале назначен сельским комиссаром, а потом избран председателем сельсовета села Мальщина Рассказовской волости в 1919-1920 гг. Теперь это село входит в состав города Рассказово».
Семнадцатилетним пареньком он уехал учиться в Москву. Моисей Александрович поступил в Московский университет на физический факультет. Его целеустремленность и самостоятельность мышления, пылкое воображение в сочетании с трезвым реализмом обусловило то, что из рассказовского паренька вырос настоящий специалист-ученый. А в последующие годы эти черты характера и неутомимый труд позволили М.А. Маркову внести крупный вклад в развитие физики элементарных частиц [ 1 ].
В 1930 г. М.А. Марков окончил Московский университет и поступил в аспирантуру Ленинградского физико-технического института. Его научным руководителем был академик С.И. Вавилов. С 1934 г. М.А. Марков стал работать в Физическом институте АН СССР, а с 1951 г. он также работает в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна). Одновременно много лет М.А. Марков преподавал в Московском университете.
Марков одним из первых советских физиков-теоретиков начал разрабатывать программы экспериментов для решения принципиальных проблем физики элементарных частиц на ускорителях. Ряд прогнозов,
высказанных Марковым, со временем подтвердился, в частности, относительно поисков нестабильных корот-коживущих элементарных частиц (резонансов). Его исследования посвящены также моделям и классификации элементарных частиц. Но, пожалуй, самая большая заслуга М.А. Маркова - фундаментальные исследования физики нейтрино, которые он начал вести с 1950 г. [2].
Для регистрации нейтрино М.А. Марков предложил использовать океанскую воду. Он был инициатором разработки международного проекта «ДЮМАНД», цель которого - создать самый большой в мире физический прибор, превратив объем мирового океана в поле тончайших физических исследований. Такого проекта в столь грандиозном масштабе история физики еще не знала.
Название проекта «ДЮМАНД» образовано из первых букв английской фразы Deep Underwater Мооп And Neutrino Detection, означающей в переводе: «Глубоководная регистрация мюонов и нейтрино». Этот проект предполагал, в частности, что на дне океана, на глубине приблизительно 5 км подобно пчелиным сотам будет уложена сеть электрических кабелей. В узлах этой сети будет закреплено 1260 вертикальных кабелей, длина каждого из которых 1600 м. Таким образом, на дне океана был бы образован лес вертикальных кабелей, на которых было бы закреплено 23 тысячи детекторов нейтрино. Слой воды над установкой служит защитой (экраном) от фона мюонов космических лучей. Первоначально для регистрации нейтрино предполагалось применение фотодетекторов.
Однако Г. Аскарьян и И. Долгошеин (СССР) и независимо от них Р. Боуен (США) предложили акустический метод регистрации нейтрино сверхвысоких энергий (Е = 1017 эВ). Суть метода состоит в следующем. Ядерно-электромагнитный каскад, порожденный взаимодействием нейтрино с веществом (водой), сопровождается быстрым (практически мгновенным) нагреванием узкого канала оси ливня каскада. Это вызывает расширение объема жидкости и приводит к возникновению акустического импульса давления. Импульс давления регистрируется решеткой гидрофонов. Применение акустического детектора-решетки оказывается экономически более оправданным, т. к. требует значительно меньшего количества элементов-гидрофонов, нежели оптический метод регистрации,
требующий огромного числа фотоприемников. Дело в том, что звук в океане (в воде) распространяется на большое расстояние, а свет быстро затухает [3].
Сеть ловушек-детекторов нейтрино должна быть соединена с лабораторией, находящейся на берегу. В лаборатории должна была бы обрабатываться информация о взаимодействии нейтрино с атомами вещества, происходящем в толще воды. Кроме советских физиков к разработке этого проекта были подключены ученые Индии, Японии, США и ряда других стран.
Научный проект «ДЮМАНД», к сожалению, не был реализован, но при личном участии М.А. Маркова были построены нейтринная обсерватория в Баксан-ском ущелье на Северном Кавказе и глубинная нейтринная обсерватория на озере Байкал.
Нейтринную обсерваторию на Байкале можно, вероятно, рассматривать как частичную реализацию проекта «ДЮМАНД». Многие научные и технические идеи проекта «ДЮМАНД» были воплощены при строительстве Байкальской обсерватории.
Баксанская нейтринная обсерватория устроена следующим образом. В горе Андырчи проложен горизонтальный коридор, длина которого составляет 4 км. Датчики, регистрирующие нейтрино, размещены в двух залах, которые представляют собой расширенные части длинного коридора. Таким образом, первый зал находится на глубине 350 м под поверхностью склона горы, а второй - на глубине около 2 км. Такие большие толщи земли экранируют датчики нейтрино от влияния на них других частиц, летящих от Солнца.
Советские физики академики М.А. Марков и Б.М. Понтекорво в 60-е гг. ХХ в. первыми выдвинули идею нейтринных экспериментов на ускорителях. Такие эксперименты были начаты и продолжаются по настоящее время на всемирно известном ускорителе Института физики высоких энергий, который находится в поселке Протвино под Серпуховым.
Ускоритель дает пучок протонов высокой энергии (до 70 ГэВ). Протоны бомбардируют алюминиевую мишень, и из нее выходят потоки различных частиц, в частности пи-мезоны (п+) и ка-мезоны (к+). Пролетев некоторое расстояние, и те и другие распадаются на мю-мезоны и нейтрино.
Частицы, вылетающие из алюминиевой мишени, пробегают по длинной (150 м) вакуумной камере. За это время пробега происходит очень много распадов, рождающих нейтрино. Так создается поток нейтрино в смеси с огромным количеством других частиц. На пути из вакуумной камеры к регистрирующим устройствам частицы должны пройти железный фильтр толщиной 66 м. Нейтрино преодолевают эту толщу легко и просто, для всех же остальных частиц этот фильтр практически непреодолим. В итоге получается чистый поток нейтрино. Вся эта установка окружена защитным от радиации железным экраном, масса которого 20 тыс. т.
Поток нейтрино направляется на мишени - квадратные стальные плиты со стороной 2,2 м, толщиной 12 см. Нейтринный поток последовательно пронизывает их одну за другой. Между каждыми двумя соседними плитами находятся детекторы частиц - искровые камеры. Это фактически трехпластинчатые конденсаторы с высоким напряжением (30 кВ) между пластинами. Пролет нейтрино в таких детекторах не регистрируется. Но когда в какой-нибудь стальной плите нейтрино попадает на элементарную частицу, то их взаимодействие будет зафиксировано, т. к. частицы, рож-
денные этим взаимодействием, пролетая между пластинами «конденсатора», на своем пути ионизируют газ. По этому пути - следу частиц - проскакивает тонкая искра, которая фотографируется или регистрируется фотоэлектронным устройством [4].
Проведенные исследования позволили установить: во-первых, что среди нейтрино следует различать электронные нейтрино (антинейтрино) с массой менее 4-10-4 массы электрона, или 2-10-4 МэВ, и мюонное нейтрино, масса которого составила менее 8-10-4 массы электрона, т. е. менее 4-10-4 МэВ. Кроме того, в природе обнаружено и т-нейтрино (тау-нейтрино). Некоторые ученые считают, что нейтрино не имеют массы покоя.
Во-вторых, нейтрино в отличие от других частиц взаимодействует с частицами ядер тонко и аккуратно. Поэтому нейтринным «пронизыванием» можно вести исследование структуры элементарных частиц, составляющих ядро атома - протона и нейтрона, а также других тяжелых частиц.
В-третьих, все взаимодействия, связанные с рождением или исчезновением нейтрино, - это слабые взаимодействия. О слабых взаимодействиях мы знаем пока очень мало. Ученые-физики надеются, что нейтринные эксперименты дадут дополнительную информацию о слабых взаимодействиях и приблизят нас к пониманию закономерностей взаимодействия этого типа.
В последние годы своей жизни М.А. Марков изучал влияние гравитации на свойства элементарных частиц. Он создал модель элементарной частицы предельно большой массы (максимон) и частицы, получившей название фридмон [5].
За большие заслуги в развитии советской науки М.А. Марков в 1978 г. был удостоен звания Героя Социалистического Труда.
Трудно переоценить то влияние, которое оказал академик М.А. Марков на развитие научных направлений в Объединенном институте ядерных исследований и в научных центрах стран - участниц этого проекта. Ежегодно Институт ядерных исследований РАН и Физический институт им. П.Н. Лебедева совместно с Объединенным институтом ядерных исследований (г. Дубна) и Петербургским институтом ядерной физики РАН проводят Марковские чтения. Важная часть чтений -доклады лауреатов премии имени академика М.А. Маркова, установленной ИЯИ РАН. Этой премией награждаются ученые или группы ученых за выдающийся вклад в фундаментальную физику и исследования по главным направлениям научной программы ИЯИ РАН. В память о Маркове центральная аллея площади Лаборатории высоких энергий носит его имя. На здании Лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований и в главном корпусе здания Физического института им. П.Н. Лебедева РАН установлены мемориальные доски в память об академике М.А. Маркове.
А в Рассказове, на малой родине ученого, есть улица академика М.А. Маркова.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стерелюхин А.И., Федоров В.А. Неутомимый исследователь нейтрино // Формирование специалиста в условиях региона: новые подходы: материалы XI Всерос. межвузов. науч. конф. Тамбов, Москва, Санкт-Петербург, Баку, Вена, Гамбург: Изд-во МИНЦ «Нобелистика», 2011. С. 23-26.
2. Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. М.: Наука, 1983. 398 с.
Лямшев Л.М. Радиационная акустика // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 5. С. 98-104.
Сворень Р.А. В просторы космоса, в глубины атома. Пособие для учащихся. М.: Просвещение, 1981. 143 с.
Колпаков П.Е. Основы ядерной физики: учеб. пособие для пед. ин-тов. М.: Просвещение, 1968. 400 с.
Поступила в редакцию 21 ноября 2013 г.
Sterelyukhin A.I., Feodorov V.A. Berezner A.D. RESEARCHER OF NEUTRINO (Moisey Aleksandrovich Markov) In article works of the academician M. A. Markov in research of one of the most mysterious fundamental particles - a neutrino are considered.
Key words: neutrino; Rasskazovo; academician; weak interaction.
Стерелюхин Александр Иванович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат педагогических наук, доцент, доцент кафедры общей физики, e-mail: [email protected]
Sterelyukhin Aleksander Ivanovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Education, Associate Professor, Associate Professor of General Physics Department, e-mail: [email protected]
Федоров Виктор Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, зав. кафедрой общей физики, e-mail: [email protected]
Feodorov Viktor Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Рhysics and Mathematics, Professor, Honored Worker of Science of Russian Federation, Head of General Physics Department, e-mail: [email protected]
Березнер Арсений Дмитриевич Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра общей физики, e-mail: [email protected]
Berezner Arseniy Dmitriyevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, General Physics Department, e-mail: [email protected]
