Десять лет истории науки: ловец нейтрино
Сегодня НЕВОД располагается на территории Национального ядерного исследовательского университета «МИФИ» и является единственным в мире комплексом, способным решить «мюонную загадку»: почему наблюдаемое в эксперименте количество мюонов, образовавшихся при взаимодействии космических лучей с верхними слоями атмосферы, противоречит современным представлениям как о космических лучах, так и о моделях их взаимодействия, которые проверены на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе? Иными словами: откуда берется избыток мюонов, который к тому же увеличивается с ростом энергии первичных космических частиц?
Именно в этой лаборатории наши ученые впервые сформулировали «мюонную загадку», и лишь спустя три года ее подтвердили сотрудники самой большой установки в мире – Обсерватории космических лучей «Пьер Оже» в Аргентине, площадь которой составляет 3000 км². Российский же НЕВОД – одна из самых компактных установок в мире, но может регистрировать частицы с любого направления (большинство мировых установок регистрируют космические лучи, прилетающие только сверху), что открывает колоссальные возможности для изучения космических частиц и вызываемых ими взаимодействий.
Центральная часть установки – бассейн глубиной 9 метров – черенковский водный детектор с гирляндами квазисферических модулей. Они-то и регистрируют черенковское излучение, вызываемое в прозрачной среде заряженными частицами, которые двигаются со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Объем бассейна огромен – 2000 м³, вода в нем лишена любых примесей и работы ведутся в полной темноте, нарушаемой лишь для технических процедур. При прохождении мюонов через воду ученые могут определить их энерговыделение, а другие установки НЕВОДа измеряют их количество. Именно поэтому считается, что решить «мюонную проблему» можно лишь на этом комплексе.
Еще в 1995 году в НЕВОДе был проведен эксперимент, в результате которого было доказано, что нейтрино можно регистрировать на поверхности Земли в условиях очень высокого фона. Большинство ученых полагало, что это невозможно. «Наш НЕВОД создавался как нейтринный детектор, но славу нам принесли не нейтрино, а мюоны, и в совершенно неожиданных направлениях, – говорит бессменный руководитель НЕВОДа, доктор физ.-мат. наук, профессор, лауреат премии Президента РФ Анатолий Петрухин. – Мы обнаружили, что чем выше энергия первичных космических частиц, тем больше избыток мюонов. Больше по сравнению с тем, что допускают существующие представления о взаимодействии космических частиц. Некоторый избыток мюонов наблюдали и до нас, но мы первые измерили его в диапазоне четырех порядков по энергии и увидели его непрерывный рост».
В 2024 году в НЕВОДе будет запущен новый, не имеющий аналогов в мире, вертикально расположенный детектор ТРЕК – сейчас уже смонтирована одна из двух его плоскостей. Площадь ТРЕКа 250 м² – это позволит «ловить НЕВОДом» в 7 раз больше частиц, чем возможно сейчас, а его технические решения увеличат надежность исследований в 10 раз. К 2025 году будет модернизирован и черенковский водный детектор, измеряющий энерговыделение мюонов – все эти работы университет проводит в рамках госпрограммы «Приоритет 2030».
«И вот тогда мы сможем дать ответ – откуда берутся лишние мюоны, почему мюонов высоких энергий больше, чем следует из современных представлений? Прилетает ли к нам что-то из космоса или избыток мюонов образуется в атмосфере? Не новое ли состояние материи ответственно за их образование?» – заключает Анатолий Петрухин.