Доктор наук Наталья Полухина: Новые элементы могут быть настолько необычными, что энергетические страхи будут забыты

15.05.2012

Вселенная состоит из атомов, атомы - из частиц, частицы... А что такое частицы?

Вселенная состоит из атомов, атомы - из частиц, частицы... А что такое частицы?

Недавнее открытие учёных Физического института РАН /ФИАН/ показывает, что они, возможно, являются кусочками разорванных адронных струн. Те, в свою очередь, представляют собою некие силовые связи между кварками – самыми мелкими "кирпичиками" материи, в 20 тысяч раз меньше размеров протона, частицы, из которой строятся атомы.

Как предположили российские физики, объясняя эффект, неожиданно обнаруженный на Большом адронном коллайдере /БАК/ как раз при столкновениях протонов, частицы рождаются при разрывах связей между разлетающимися кварками. Так же, как разрывается струна. Затем струна растягивается дальше, снова лопается, затем снова – пока процесс не прекратится. Тогда оставшиеся обрывки струны и образуют частицы – адроны.

Но когда струна лопается, рождается звук. И получается, что частицы, из которых состоит наша Вселенная, подобны нотам, оставшимся от оборванных мелодий рождения материи?

О том, насколько правомерно такое сравнение, можно ли услышать мелодии адронных струн, и с помощью чего это можно сделать, корреспондент ИТАР-ТАСС беседует с учёным секретарём ФИАН, доктором физико-математических наук Натальей Полухиной:

- Если это и ноты, то их не 7, а 12. В рамках принятой в настоящее время Стандартной модели полагают, что все вещество состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, и три сорта нейтрино) и 6 кварков.

Эта модель описывает также три типа взаимодействий элементарных частиц - электромагнитное, слабое и сильное. Есть ещё гравитационное, но данная модель его не описывает.

Многие положения Стандартной модели до сих пор исключительно точно подтверждались в эксперименте. Однако в последнее время стали появляться экспериментальные результаты, не укладывающиеся в её рамки. Соответственно, необходимо проведение новых исследований.

Ожидается, что, например, в работах на Большом адронном коллайдере также будет зарегистрировано множество отклонений от этой модели.

- Насколько известно, такие исследования требуют надёжной и очень тонкой фиксирующей аппаратуры. Иначе как увидеть взаимодействия между мельчайшими частицами, к тому же происходящие в кратчайшие отрезки времени?

- Для подобных исследований в физике элементарных частиц на протяжении очень многих десятилетий широко используются трековые детекторы. В этих детекторах регистрация частиц сопровождается появлением наблюдаемых следов /треков/, повторяющих траекторию движения элементарной частицы.

Простота трековых детекторов - их существенное преимущество. Вместе с тем важнейшее значение имеют также средства, которые должны быть использованы для извлечения информации из трековых детекторов. Поэтому одновременно с развитием методики трековых детекторов развивались также методы автоматизации измерений.

Полная автоматизация измерений в трековых детекторах стала возможной после возникновения приборов с зарядовой связью, в которых камеры используются для регистрации и оцифровки оптических изображений, что привело к созданию микропроцессорно-ориентированных систем для автоматической обработки треков частиц в детекторах.

В ФИАНе давно и успешно проводятся работы, связанные с использованием в качестве регистрирующего прибора ядерной фотоэмульсии, которая была и остается лучшим детектором по пространственному разрешению - 1 микрон. Кроме того, ядерная фотоэмульсия позволяет определить целый ряд других характеристик частиц: энергию, заряд, массу, импульс. Она позволяет проводить экспозиции в отсутствии экспериментатора и изучать реакции со сложными схемами распадов.

В мире работает более 50 автоматизированных микроскопов для обработки данных с трековых детекторов. Такой автоматизированный комплекс мирового уровня существует в ФИАНе - полностью автоматизированный измерительный комплекс «ПАВИКОМ».

Комплекс состоит из трёх микроскопов. Точность перемещения микроскопного столика – полмикрона! Для того, чтобы оценить столь высокую точность механического перемещения столика, достаточно вспомнить, что толщина человеческого волоса - 50 микрон. Ни один из этих микроскопов не был произведён промышленностью, многие элементы конструкции были придуманы и сделаны российскими физиками или собраны из комплектующих разных производителей.

Обработкой данных занимаются сотрудники 10 институтов. Фактически «ПАВИКОМ» используется в режиме центра коллективного использования и в этом смысле не имеет аналогов в мире.

- И что же удалось обнаружить с помощью такого прибора?

- Усилия фиановской группы ПАВИКОМ в настоящее время сконцентрированы в основном на двух проектах: участие в эксперименте OPERA и в проекте ОЛИМПИЯ.

Эксперимент OPERA - крупный международный эксперимент, целью которого является поиск осцилляций нейтрино, то есть их переходов из одного вида в другой.

Почему так важно увидеть такие осцилляции? Дело в том, что мы живём в практически нейтринной Вселенной. Этих частиц очень много! Например, каждую секунду через квадратный сантиметр на Земле проходит от 60 до 100 млрд. этих частиц. А в теле каждого человека примерно один раз в 70 лет происходит взаимодействие нейтрино.

Изучение свойств нейтрино имеет фундаментальное значение для физики элементарных частиц, астрофизики и космологии. Но нейтрино очень слабо взаимодействуют. Все помнят даже из школьной программы, что такая частица может пронзить всю нашу планету, даже не заметив этого! И потому невыясненных вопросов об их природе существует достаточно много.

Один из главных вопросов – это вопрос о массе нейтрино. Если они имеют ненулевую массу, тогда нейтрино определённого сорта могут осциллировать, переходить друг в друга.

Вопрос об осцилляциях нейтрино и их массе настолько важен, что в мире проводится очень много самых разных экспериментов, но до сих пор это были эксперименты «на выбывание». То есть, предполагается, что должно быть зарегистрировано определенное количество нейтрино одного сорта, и если их приходит меньше, то делается заключение, что произошли осцилляции.

OPERA же стал первым экспериментом "на появление". Главным элементом детектирующей системы являются стопки ядерной фотоэмульсии, которые позволяют прямо увидеть тау-лептон, рожденный таонным нейтрино. Просмотр слоёв ядерной фотоэмульсии проводится в лабораториях Италии, Японии, Швейцарии и России. Здесь – пока только на ПАВИКОМе.

В 2010 году был опубликован результат о регистрации первого тау-лептона в детекторе OPERA. Независимо в двух лабораториях было выполнено сканирование большой площади ядерной фотоэмульсии, что позволило полностью реконструировать картину взаимодействия. Безусловно, факт регистрации первого прямого появления таонного нейтрино в пучке мюонных - событие для мировой физики, что было отмечено в специальном письме директора ЦЕРНа Рольфа Хойера и в целом ряде публикаций научных журналов. Эксперимент продолжается, и прямая регистрация новых случаев осцилляций нейтрино позволит продвинуться дальше в понимании свойств этих необычных частиц, окружающих нас в очень большом количестве.

- А проект ОЛИМПИЯ – это что такое? С Олимпийскими играми никак не связано?

- Нет. ОЛИМПИЯ расшифровывается так: ОЛИвины из Метеоритов – Поиск тяжёлых и сверхтяжёлых Ядер. Эта проблема связана с вопросом о том, где же находится граница Периодической системы элементов.

- Недавно об этом был разговор, когда наши физики из Дубны открыли 117 элемент и вроде бы "закрыли" все клеточки в ней. В своё время Дмитрий Менделеев высказал мнение о том, что последний элемент его системы должен оказаться 118-м…

- Номер элемента в таблице или зарядовое число атомного ядра соответствует количеству протонов в атомном ядре. Протоны – это положительно заряженные частицы. Значит, чем больше заряд ядра, тем сильнее притягиваются к ядру внутренние электроны. В конечном итоге должен наступить момент, когда они начнут захватываться ядром. И тогда поглощение отрицательно заряженного электрона уменьшает заряд ядра. Иными словами, тем самым определяется теоретическая граница таблицы Менделеева.

Так вот, первые расчёты показывали, что при порядковом номере элемента больше чем 170-180 элементы существовать не могут. Однако последующее развитие физики показало, что границу таблицы определяет не начало области нестабильности электронной оболочки атома, а начало нестабильность ядра. Ведь оно – источник электрического поля, в котором формируются электронные оболочки.

Частицы в ядрах образуют оболочки. Подобно тому, как в периодической системе наиболее стабильны инертные газы, наиболее стабильны те ядра, у которых полностью застроены нейтронные и протонные оболочки. Наиболее стабильны ядра, содержащие так называемое "магическое число" нейтронов или протонов /2, 8, 20, 50, 82, 126/. Эти "магические числа" как раз и соответствуют таким замкнутым оболочкам /например, кальций, олово, свинец/.

Это очень важный показатель. Теория предсказывает, что элемент с зарядом 110 и атомной массой 294 должен жить сто миллионов (а может, и миллиард) лет. Но если изменить число нейтронов или протонов на 2-3 единицы, т.е. всего на 1 процент, то время жизни должно уменьшится в 10 млн раз! Такой эффект наблюдается, например, у дважды магического ядра свинца: 82 протона и 126 нейтрона. Этот свинец-208 настолько стабилен, что никто ещё не наблюдал его распад. Но при этом свинец со 127 нейтронами – на один больше! - распадается за 3,3 часа.

При этом чем больше порядковый номер ядра, тем меньше его время жизни: в них даже ядерные силы притяжения с трудом сдерживают огромные электростатические силы отталкивания между протонами. Плутоний-244 живет 100 млн лет, калифорний-250 около 10 лет, фермий-252 живет 20 часов. Ядро урана - самое тяжёлое из найденных на Земле. Следующие ядра были синтезированы искусственно. Одним из мировых лидеров в работах по синтезу новых элементов является Лаборатория ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований. Им удалось синтезировать 12 из 18 трансфермиевых элементов.

Но предсказания теории говорят о том, что за ураном должны существовать так называемые острова стабильности сверхтяжёлых элементов. Именно поэтому работы по искусственному синтезу сверхтяжёлых элементов продолжались всегда. Свойства новых элементов могут оказаться настолько необычными, что, возможно, все энергетические страхи человечества будут забыты.

Поэтому, пока теоретики продолжают разрабатывать модели образования сверхтяжёлых элементов в астрофизических процессах, а экспериментаторы продолжают усилия по синтезу сверхтяжёлых ядер на ускорителях, - то если стабильные сверхтяжёлые элементы существуют, они могут быть найдены в природе.

- А как это сделать? Мы же даже не знаем их свойств!

- Они могут быть найдены в космических лучах. Ведь здесь мы имеем дело с миллиардами лет и непредставимыми объёмами пространства!

Но тут возникает проблема: экспериментальные данные, полученные по измерениям в космических лучах, по сверхтяжёлым ядрам в природе чрезвычайно бедны. Просто потому, что таких очень мало - их приходит всего лишь 1-2 ядра на квадратный метр в год. И для того, чтобы искать их в природе, требуются детекторы очень больших площадей и длительные экспозиции.

Но наш советский исследователь Георгий Флёров предложил рассматривать в качестве естественных детекторов космических лучей… метеориты! В самом деле: согласно его расчётам, при возрасте метеорита сотни миллионов лет исследование 1 кубического сантиметра его вещества эквивалентно проведению эксперимента с тонной фотоэмульсии в космосе в течение года!

По инициативе академика Гинзбурга в ФИАНе начали заниматься поиском следов тяжёлых и сверхтяжёлых ядер в кристаллах оливинов из метеоритов. Работа выполняется вместе с группой Леонида Кашкарова из Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН /ГЕОХИ/, при сильной поддержке и в тесном контакте с Лабораторией ядерных реакций ОИЯИ.

Исследуются образцы двух метеоритов: "Марьялахти" - возрастом в 185 млн. лет и "Игл стейшен" - 300 млн. лет. Оба этих метеорита представляют собой железо-никелевую матрицу, в которой имеются включения полупрозрачного минерала желтого цвета – оливина.

Разработанная в проекте ОЛИМПИЯ методика впервые позволяет просматривать весь объём кристалла, и тем самым существенно увеличивать статистику обработанных треков. Созданное на ПАВИКОМ программное обеспечение позволяет выделять области кристаллов, находить и измерять геометрические параметры треков ядер, а также осуществлять пространственную сшивку следов.

Обработано примерно 170 кристаллов. Уже получено зарядовое распределение около 6000 ядер галактических космических лучей с зарядом больше, чем 55. Результаты ОЛИМПИИ хорошо согласуются с данными других экспериментов. Например, имеется хорошее согласие с данными двух космических экспериментов "HEAO" и "Ариэль", где использовалась электронная аппаратура. Но в нашем зарядовом распределении, полученном при обработке детекторов со временем наблюдения 185 – 300 млн лет, присутствуют намного более тяжёлые ядра.

В начале 2010 года в оливинах были обнаружены и идентифицированы треки трёх ультратяжёлых ядер. Наша оценка заряда этих ядер - в диапазоне от 105 до 130. Выполненный регрессионный анализ позволил уточнить оценку заряда одного из трёх ядер: равен 119 с вероятностью 95%. Именно такие ядра должны образовывать острова стабильности, их обнаружение в природе подтверждает справедливость теоретических предсказаний и усилий по синтезу в земных условиях!

Таким образом, трековая методика дает возможность получать приоритетные результаты, чрезвычайно важные для понимания физической картины мира.

- А есть ли какое-то применение такой аппаратуры в наших, земных условиях?

- Да, эта методика успешно применяется и во многих прикладных работах.

Прежде всего, это работы по мюонной радиографии. Например, нобелевский лауреат Луис Альварес еще в прошлом веке предложил использовать для просвечивания египетских пирамид потоки мюонов – частиц, обладающих высокой энергией и проникающей способностью, с массой в 200 раз большей массы электрона. Плотность потока мюонов зависит от количества вещества на его пути, и если на пути есть пустоты, как в пирамидах, то из этого направления частиц придёт меньше.

Альварес, используя пузырьковую камеру, методом мюонной радиографии просветил примерно 10 процентов объёма двух египетских пирамид. Ограниченность просмотренного им объёма была связана со сложностью обработки данных пузырьковой камеры. Но современная автоматизация измерений в ядерной эмульсии и её уникально высокое пространственное разрешение привели к резкому увеличению объёма работ в мире по мюонной радиографии с использованием эмульсионной методики. Так что, возможно, однажды пирамиды откроют какие-нибудь неожиданные тайны…

Мюонная радиография в настоящее время также активно используется в Японии и Италии для неразрушаюшего контроля различных промышленных объектов /например, состояния ядерных реакторов, доменных печей сталелитейных комбинатов и опор мостовых конструкций/ и для изучения внутренней структуры вулканов. Исследуется структура вулканов Асама и Унзен в Японии, Стромболи и Везувия в Италии.

Бернский университет выполняет работу по исследованию месторождения полезных ископаемых методом мюонной радиографии и трековой методики. При соотношении плотностей 1 к 3 показана эффективность использования именно этой методики.

Таким образом, ядерно-физическая трековая методика успешно и активно развивается, давая возможность получать ответы на многие актуальные вопросы современной физики и принося реальную пользу для жизненно важных направлений деятельности человечества.

Александр Цыганов (ИТАР-ТАСС, Москва)

©РАН 2020