Анатолий Петрухин, НИЯУ МИФИ: "В наших планах – найти новое состояние материи"

15 октября 2017 года Научно-образовательный центр «НЕВОД» отметил свое 55-летие. О том, с чего все начиналось, о результатах и планах на будущее рассказал руководитель Научно-образовательного центра, Анатолий Афанасьевич Петрухин:

Начиналось все не 55 лет назад, а еще раньше. В 1959 году, когда я закончил МИФИ, ученые всего мира решали очень актуальный вопрос – что такое мюон – частица, которая ведет себя так же как электрон, но имеет массу в 207 раз больше. Развивая идею известного политика, который в эпиграфе к одной из глав своей книги написал, что «электрон также неисчерпаем, как и атом», физики того времени шутили – «мюон в 207 раз неисчерпаемее, чем электрон».

Для того, чтобы понять, что такое мюон, нужно было изучить взаимодействие этих частиц. В начале 1960 года передо мной была поставлена задача - спроектировать установку, на которой можно будет изучать взаимодействие мюонов.

Такая установка - ионизационный калориметр для регистрации космических частиц, летящих параллельно поверхности Земли, т.е. практически горизонтально, – была спроектирована и 15 октября 1962 года мы втащили первые железки в предоставленное нам помещение в старом здании МИФИ на улице Кирова, 21. Именно этот день и решили отмечать, как День рождения лаборатории, хотя эта дата никак юридически не оформлена.

На ионизационном калориметре МИФИ впервые были получены экспериментальные данные по энергетическому спектру горизонтального потока мюонов космических лучей и по сечению их неупругого взаимодействия с энергией до 1 ТэВ. Были опубликованы статьи, на которые ссылались зарубежные и российские ученые. Но наука не стоит на месте, было ясно, что имеющийся ионизационный калориметр площадью 9 кв. м все-таки мал, и мы начали проектировать более крупный калориметр для его размещения на новой территории МИФИ.

Спроектировали, но по расчетам вес новой установки должен был составить 2 тысячи тонн. Чтобы перевезти такое количество железного поглотителя в новое здание, понадобились бы 33 вагона, которые надо было подогнать на станцию Москворечье и потом долго разгружать. Поэтому появилась идея использовать вместо железа воду, и мы начали проектировать черенковский водный детектор.

В 1978 году Государственный комитет по науке и технике выделил деньги на разработку измерительного модуля для этого детектора – 100 тысяч рублей. По тем временам это была огромная сумма, так как наша зарплата составляла ~ 120 рублей в месяц. В результате был разработан квазисферический модуль на 30 лет раньше, чем подобные модули стали применяться в других черенковских водных детекторах.

В это же время началась подготовка межвузовской программы на 1981-1985 гг. по разработке проекта НЕВОД. И такая установка с тем же весом 2 тысячи тонн, но уже воды, была спроектирована. Летом 1987 года вышло Постановление Совета министров СССР «О развитии материально-технической базы физики высоких энергий», в котором отдельным пунктом было записано создание в МИФИ нейтринного водного детектора НЕВОД.

Кстати, название НЕВОД я придумал, сидя на партийном собрании, расшифровывается оно как НЕйтринный ВОдный Детектор. Официально это название было закреплено в протоколе совещания физиков по развитию водных детекторов, которое состоялось во Владивостоке в 1977 году, и с тех пор стало фигурировать во всех документах.

Ну, а дальше все выглядело почти фантастикой. Постановление было принято летом 1987 года, 1 декабря этого же года появился забор, 1 апреля 1988 года начали забивать первые сваи, а уже 30 сентября объект был сдан. Все было построено за полгода! С нуля!

Конечно, не все сразу заработало. При попытке заполнить бассейн водой он дал течь, и почти два года мы с этим боролись. В 1991 году в бассейн была опущена первая гирлянда с четырьмя квазисферическими модулями (24 фотоумножителя), и было зарегистрировано черенковское излучение. Полностью установка была смонтирована и запущена в 1994 году, и в конце этого же года НЕВОД решением Министерства науки и технической политики РФ был включен в Перечень уникальных научных установок национальной значимости.

Уникальность НЕВОДа во-первых, в том, что он находится на поверхности Земли, в то время как все остальные нейтринные детекторы размещаются под землей (в Баксане), под водой (в Байкале и в Средиземном море) или подо льдом (в Антарктиде).

Во-вторых, мы использовали решетку из квазисферичских модулей, которые регистрируют черенковское излучение с любого направления, в отличие от других детекторов, в которых измерительные модули, состоящие из 1 – 3 фотоумножителей, ориентированы вниз для регистрации нейтрино из-под земли.

Эти две особенности позволили проводить на нашей установке исследования различных компонент космических лучей, а не только нейтрино. И они же обусловили интерес к НЕВОДу физиков из других российских и зарубежных организаций, которые начали поставлять различное оборудование, расширяющее его первоначальные возможности. В результате НЕВОД превратился в многоцелевой и многофункциональный экспериментальный комплекс, не имеющий аналога в мире.

Хотел бы выделить три основных достижения, которые были получены за время нашей работы.

Первое, экспериментальное доказательство возможности регистрации нейтрино космических лучей на поверхности Земли. Трудность состояла в том, что на поверхности существует большой фон. Чтобы зарегистрировать нейтрино, надо чтобы оно провзаимодействовало где-то вблизи детектора с образованием мюона или электрона, то есть заряженных частиц, которые можно детектировать по черенковскому излучению. А таких частиц, приходящих из атмосферы, на десять порядков больше! Тем не менее задача была решена, и название – нейтринной водный детектор было оправдано.

Второе, регистрация мюонов космических лучей под большими зенитными углами. Это традиционное для нас направление, но если на ионизационном калориметре изучались одиночные мюоны, то теперь появилась возможность регистрации групп мюонов. Нам в этом плане помогли итальянские коллеги, которые поставили стримерные трубки для создания координатно-трекового детектора ДЕКОР с высоким угловым и пространственным разрешением.

На комплексе НЕВОД-ДЕКОР был обнаружен избыток групп мюонов, который растет с увеличением зенитного угла, т.е. энергии первичных частиц. Это явление было подтверждено на других установках и получило название «мюонная загадка», которая не решена до сих пор. Возможно, что за появление такого избытка ответственно новое состояние материи, которое образуется при взаимодействии космических частиц сверхвысоких энергий. Сейчас мы работаем над решением этой загадки, но об этом поговорим на 60-летии НЕВОДа, к которому мы постараемся ее решить.

И третье, в составе экспериментального комплекса также из стримерных трубок был создан уникальный мюонный годоскоп УРАГАН (Установка для РАспознавания Грозовых АНомалий) и разработан новый метод исследования околоземного пространства, названный мюонографией (по аналогии с фотографией, рентгенографией, радиографией, электронографией, нейтронографией). Его суть получение снимков различных объектов в потоке мюонов.

С помощью мюонографии можно изучать различные атмосферные явления, такие как циклоны, ураганы, а также волны от удаленных процессов и явлений, регистрация которых не доступна для других методов наблюдений. Например, образовался ураган, от него идут волны, которые в плотных слоях атмосферы быстро поглощаются, а в верхних, разреженных слоях могут распространяться на большие расстояния. Они меняют условия генерации мюонов, и можно отслеживать с какого направления и куда идет ураган.

Мюонографию можно использовать и для наблюдений за космической погодой, так как выбросы солнечной плазмы отклоняют космические лучи, и соответственно поток мюонов изменяется, а наша установка фиксирует эти изменения. Появляется возможность оценить влияние данного выброса на магнитосферу Земли, т.е. его геоэффективность. На метод мюонографии получен патент.

Это наиболее крупные наши достижения, есть конечно и другие, не менее важные для науки, в получении которых определяющую роль играют наши молодые сотрудники и студенты, о чем свидетельствуют 15 медалей Российской академии наук, полученных ими на конкурсах молодых ученых и студентов.

О планах на будущее. Естественно, хотелось бы найти новое состояние материи. Для этого надо существенно повысить точность измерений. В этом году мы запустили установку НЕВОД-ШАЛ, которая позволяет определять положение оси ШАЛ и его энергию. Создан также первый в мире детектор для регистрации нейтронов широких атмосферных ливней. Разрабатываются и создаются другие детекторы, также не имеющие аналогов в мире. Поэтому мы надеемся, что в следующем пятилетии Экспериментальный комплекс НЕВОД войдет в Перечень установок класса Мегасайенс.