Подземные физические лаборатории. Про экспериментальную физику, нейтрино и детектор Черенкова. Часть 1
В последние десятилетия производство, наука и культура перемещаются в подземное пространство. Под землей располагаются научные физические центры, ракетные шахты, хранилища радиоактивных отходов, транспортные структуры, спортивные залы и даже электростанции, церкви, торговые центры. Создаваемые для них подземные полости — сами по себе архитектурные чудеса со специфическими методами строительства и дизайном. Разные причины приводят к выбору их расположения под землей. Особое значение такое решение имеет для физических лабораторий, исследующих проблемы физики элементарных частиц и астрофизики, в частности — нейтрино и так называемой темной материи, гипотетической и пока не обнаруженной формы вещества.
Нейтрино — элементарная частица, обладающая очень малой массой и не имеющая заряда, которая, однако, обуславливает многие важные процессы, происходящие в звездах. Она очень слабо взаимодействует с веществом, чем объясняется ее высокая проникающая способность. В этом же заключается трудность исследований нейтрино в прямых опытах. Экспериментальная физика решает эту проблему, сталкивая элементарные частицы и прослеживая траектории их осколков в среде, в которой происходят столкновения. Такой средой могут служить так называемая ультрачистая вода в детекторе Черенкова, или (в детекторах нового поколения ) — специальная смесь из трех компонентов в сцинтилляторе LENA (Low Energy Neutrino Astronomy), а также жидкий (охлажденный до минус 184 °С) аргон в детекторе GLACIER (Giant Liquid Argon Charge Imaging ExpeRiment).
Исходной моделью для детекторов нейтрино служит детектор Черенкова. Его работа основана на следующих принципах. Ничто не может двигаться быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако когда свет проходит через прозрачную среду, такую как вода, его скорость замедляется из-за преломления воды. Например, при комнатной температуре свет в воде распространяется со скоростью, равной 3/4 скорости света в вакууме. Однако элементарные частицы, например нейтрино, не замедляются показателем преломления. Поэтому такая частица с высокой энергией будет двигаться быстрее, чем свет в воде. Разница скорости света и заряженных частиц создает так называемое излучение Черенкова. Регистрируя это излучение фотоумножителями, прикрепленными к внутренней поверхности детектора, можно определить энергию и направление нейтрино.
Важными задачами физики сегодня стали поиски и последующее изучение темной материи, которые сыграют решающую роль в определении будущего Вселенной. Как известно, Вселенная расширяется, и это расширение зависит от гравитационной силы ее суммарной массы. Если масса темной материи достаточно велика, то ее гравитационная сила сможет остановить разбегание галактик, расширение сменится сжатием, за которым начнется новое расширение. Если эта сила недостаточна для сжатия, расширение Вселенной будет продолжаться. Вот почему для определения ее судьбы так важен поиск темной материи.
Защищая физическую лабораторию от фона внешнего излучения, ее приходится «прятать» под землю, под перекрывающую толщу горных пород. Конкретные решения дизайна и строительства подземных лабораторий зависят от выбора их места и поставленных научных задач. Важное различие этих лабораторий — возможность доступа к ним либо по вертикальным шахтам (стволам), либо по туннелям — горизонтальным и наклонным. Еще одним, уникальным, местом подобных исследований стали льды Антарктиды.
Не сосредотачиваясь на научных задачах, решаемых физиками, предлагаем в ближайших номерах рассмотреть дизайн и строительство больших подземных комплексов для размещения физического оборудования разной конструкции и размеров.
Продолжение статьи читайте в сентябрьском номере журнала "Наука и техника" за 2020 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой
