SuperNEMO заговорить українською

«Розробка технологій та організація виробництва пластмасових сцинтиляторів, створення на їхній основі детекторів іонізуючого випромінювання для радіаційного приладобудування» — так називається цикл робіт, представлених на конкурс Державної премії України в галузі науки і техніки 2005 року.

Триває полювання на нейтрино

Ці фундаментальні частки не дають ученим спокою з 1931 року, коли їхнє існування передбачив швейцарський фізик Вольфганг Паулі. Вони енергійні, всепроникні та всюдисущі — за ті секунди, коли ви читали ці рядки, кілька мільярдів нейтрино пролетіло крізь ваше тіло зі швидкістю, що майже дорівнює швидкості світла, і зникло у Всесвіті.

Проте частки належать до найменш вивчених об’єктів мікросвіту, оскільки дуже слабко взаємодіють із речовиною. Лише кілька років тому ученим удалося встановити: нейтрино одного сорту можуть перетворюватися на нейтрино іншого сорту, й у цієї частки є маса. Безпосередньо самі нейтрино ніхто не спостерігав. Якнайбільше, на що можуть нині розраховувати фізики-експериментатори, то це на той рідкісний щасливий випадок, коли частка у польоті зіштовхнеться, як кажуть, лобом у лоб з атомом мішені, й апаратура зможе зафіксувати слід цієї взаємодії. Заради цього у світі проводять складні та дорогі міжнародні експерименти з ловлі нейтрино. Вони бувають двох типів.

У одному випадку пучок цих часток отримують за допомогою прискорювача. Наприклад, у європейському проекті OPERA, де нейтрино з Європейського центру ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві мали летіти сотні кілометрів під землею, щоб зареєструватися в лабораторії Гран Сассо в Італії. В іншому випадку в мішень мають потрапити нейтрино, які утворюються самочинно, як у новому міжнародному проекті SuperNEMO. Його учасниками стануть учені Інституту сцинтиляційних матеріалів (ІСМА) НАН України, що входить до складу НТК «Інститут монокристалів» (Харків).

У обох випадках реєструватимуть знаменний факт появи таємничої частки спеціальні детектори на основі сцинтиляторів. Так називаються спеціальні функціональні матеріали, спроможні світитися під дією іонізуючого випромінювання. Саме вони й повинні мікроскопічним спалахом світла сигналізувати про те, що нейтрино потрапило до пастки. Тому вчені ІСМА НАНУ, де створено потужну наукову й виробничу базу з розробки та виготовлення сцинтиляторів різних типів, є бажаними учасниками різноманітних міжнародних колаборацій з ловлі нейтрино, включаючи й OPERA, і SuperNEMO.

Капітан Немо XXI століття

— Як проходитиме експеримент SuperNEMO? — кореспондент «ДТ» поцікавилася в директора Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України, члена-кореспондента НАНУ Бориса Гриньова.

— Щоб позбутися природного фону, цей експеримент, як і експеримент OPERA, проводитиметься під землею, в одній з природних печер Франції, — розповів Борис Вікторович. — Очищений молібден масою близько 100 кілограмів реагуватиме з сонячними нейтрино, що летітимуть крізь нього, а детектори з нашими сцинтиляторами реєструватимуть утворений слід. Учені припускають, що за рік у такому зразку зареєструють 5—10 цих знаменних подій, тобто їх можна буде буквально полічити на пальцях. Кілька років піде на підготовку до експерименту й будівництво самої установки, а потім ще років 8—10 фізики набиратимуть потрібну статистику.

— Чи має якесь відношення назва проекту — SuperNEMO до капітана Немо?

— Хоча ідея цього амбіційного міжнародного проекту виникла, як і роман Жюля Верна, у Франції, знаменитий герой тут ні при чому. NEMO — це абревіатура, вона розшифровується як «нейтринні осциляції з молібденом». А інтернаціональну команду кращих «гравців» для реалізації експерименту збирає директор Національного центру наукових досліджень при Французькому університеті (Орсе) Серж Юліан. Наприклад, розробляти спосіб очищення молібдену стануть американці, які знаються на цьому, сам процес очищення здійснюватиметься в Росії, де є необхідні виробничі потужності, а експеримент проведуть у Франції, де працюють чудові фахівці з низькофонових вимірів.

Нас запросили до проекту завдяки тому, що розроблені в Харкові сцинтилятори мають найвище — на межі теоретичних можливостей — енергетичне розділення. Це дуже важливо, оскільки вимірюватимуться дуже слабкі сигнали, які можна порівняти за силою з шумами самої апаратури. До того ж наші матеріали спроможні тривалий час зберігати свої властивості, що дуже важливо для цього експерименту. ІСМА НАНУ бере участь у проекті як партнер на стадії дослідницьких робіт, а виготовлення сцинтиляторів інституту оплатить колаборація. Ми зможемо поставити необхідні для детектора 100 кубометрів пластичних сцинтиляторів, оскільки у нас найбільше в Європі виробництво.

— Де ще затребувані сцинтилятори?

— Скрізь, де є необхідність в ефективних, точних і швидкодіючих детекторах іонізуючого випромінювання, звідки б воно не виходило — із матеріалу, тіла людини чи глибин космосу. Це фізика високих енергій, ядерна медицина та атомна енергетика, хімія, біологія та геологія, радіаційний моніторинг навколишнього середовища, визначення вмісту радіонуклідів у воді, харчових продуктах і будівельних матеріалах, контроль за переміщенням радіоактивних матеріалів тощо.

У світі нині затребувані українські технології вирощування сцинтиляторів найрізноманітніших розмірів і конфігурацій. Наші фахівці ведуть дослідження практично з усіх актуальних напрямів цієї галузі науки з 50-х років минулого століття, тобто від самого початку її виникнення. З появою нових і розширенням старих сфер використання пластмасових сцинтиляторів вимоги до функціональних характеристик зростають. Наприклад, для одного завдання потрібна така точність розмірів, щоб на семи метрах довжини похибка становила не більш ніж одну десяту міліметра. Для другого — сцинтилятори такої прозорості, щоб можна було зафіксувати спалах потужністю лише в один фотон. Для третього — надвисока радіаційна стійкість.

Фахівці інституту вміють отримувати наддовгі зразки, гнучкі, полікристалічні великої площі, комбіновані, на кшталт «сандвічу», із регульованим розподілом виходу світла тощо. Створені в нас потужності та асортимент виробів можуть цілком задовольнити потреби наукових і приладобудівних областей України, а також запропонувати для реалізації на світовому ринку продукцію в обсязі понад 5 млн. дол. США. Сцинтилятори розмірами від 1 міліметра до 7 метрів ІСМА НАНУ експортує до США, Франції, Голландії, Китаю, Японії та інших країн.

— Що допомагає інституту вигравати міжнародні тендери й знаходити нових замовників?

— Передусім той факт, що ми розуміємо суть справи набагато глибше, ніж звичайний західний виробник. Дослідження наших учених зробили вагомий внесок у фундаментальні уявлення щодо фізико-хімії полімерів, радіаційної хімії органічних матеріалів, теорії фотофізичних процесів. У основу розробок покладені наші ноу-хау і науково-технічні напрацювання, пріоритет яких захищений численними патентами, свідоцтвами на винахід, науковими публікаціями. При цьому потрібно мати на увазі, що частину робіт фундаментального характеру нам оплачує держава, оскільки ми є інститутом Національної академії наук України. Така підтримка допомагає нам стати повноправними учасниками світового ринку високих технологій і заробляти на продажу сцинтиляторів.

* * *

Чому ж, власне, учені витрачають зусилля, а розвинені країни вкладають гроші в те, щоб упіймати в пастку хоча б сліди від нейтрино? Адже OPERA чи SuperNEMO — це не перші, але й аж ніяк не останні проекти для полювання за нейтрино. Чому, укладаючи в різні роки свої знамениті списки особливо важливих і цікавих наукових проблем, Нобелівський лауреат Віталій Гінзбург, незмінно вносив до них тему «Нейтринна фізика та астрономія»?

Причин для такого інтересу більш ніж досить. Наприклад, нейтрино становлять, вочевидь, значну частину тієї самої невидимої нами загадкової «темної матерії», яка займає понад 85—90% усієї маси Всесвіту й визначає його долю. «Нейтрино можуть стати ключем до пошуків Святого Грааля фізики — Єдиної Теорії Всього», — твердять учені.