ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

ПОДЗЕМНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЛАБОРАТОРИИ Часть 1

ПРО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНУЮ ФИЗИКУ, НЕЙТРИНО И ДЕТЕКТОР ЧЕРЕНКОВА

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

Конус черенковского излучения (слева) и устройство счетчика (справа): 1 — частица, 5 — ФЭУ (фотоэлектронный 2 — траектория частицы, умножитель), показано развитие 3 — фронт волны, лавины вторичных электронов, 4 — радиатор, вызванное фотоэлектроном, 6 — фотокатод

Генерация черенковского излучения: а — форма возбуждающего импульса, б — профиль возбуждающего пучка, в — черенковский импульс

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.

Фотоумножители — светочувствительные электронные приборы, преобразующие световой сигнал или пучок света в усиленный электрический сигнал.

Геометрически черенковское излучение во многом напоминает конус ударной волны, которая распространяется при сверхзвуковом движении самолета или пули. Подобный конус называется конусом Маха.

Для того чтобы получить надежные данные о поведении нейтрино, нужно иметь как интенсивный источник нейтрино (чтобы увеличить объем их прилета), так и очень большой детектор (чтобы увереннее обнаружить нейтрино, которое вызывает оптическое излучение жидкой среды, заполняющей детектор). Детекторы обычно строят под землей, чтобы изолировать их от космических лучей и других фоновых излучений.

Трехкомпонентный жидкий сцинтиллятор LENA располагается в цилиндрическом стальном или бетонном цилиндре высотой 100 м и диаметром 30 м. Внутри этой емкости тонким нейлоновым сосудом часть основного объема сцинтиллятора отделяется для создания буфера, препятствующего внешней радиоактивности. Детектор GLACIER — криостат, теплоизолированный от окружающей среды для поддержания низкой температуры жидкого аргона различными методами охлаждения.

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 строи

Отбойка и погрузка соли при строительстве детектора нейтрино: справа — отбойка соли проходческим комбайном, слева — погрузка соли после буровзрывных работ

тельство больших подземных комплексов для размещения физического оборудования разной конструкции и размеров.

США. ЛАБОРАТОРИЯ IMB В ШАХТЕ ФЭЙРПОРТ

Лаборатория IMB (Irvine-Michigan-Brookhaven) расположена в 65 км к востоку от Кливленда, штат Огайо, США, в соляной шахте Фэйрпорт на берегу озера Эри на глубине 600 м. Соляная шахта особенно привлекательна для размещения подземных структур из-за легкости экскавации, устойчивости соляного массива и малого уровня радиоактивного фона окружающих пород.

C cентября 1982 г. здесь был введен в работу детектор Черенкова c объемом ультрачистой воды 3 300 т, которой наполняется кубическая емкость с размерами в плане 17 х 18 м глубиной 22,5 м. В детекторе были установлены 2 048 фотоумножителей диаметром 13 см. Позднее их заменили на фотоумножители диаметром 20 см. Детектором обнаружены нейтрино, источником которых была суперновая звезда 1987А.

Экскавация полости выполнялась проходческой машиной и буровзрывными работами. Стены полости крепились металлической сеткой и анкерными стержнями, а затем покрывались двумя слоями неотражающего черного полиэтилена высокой плотности толщиной по 2,5 мм, разделенными пластиковой дренажной решеткой, которая позволяет стекать просочившейся воде между полиэтиленовыми листами.

Эта вода с притоком 5 л/мин собирается в водосборнике, откуда откачивается насосом. Зазор между стенами полости и внешней крепью заливается жидким цементом.

Фильтровальная система удаляет из воды загрязняющие частицы, ионные и биологические загрязнения.

США. ЛАБОРАТОРИЯ В ШАХТЕ САУДАН

Первые физические эксперименты в Саудане начались в 1980 г. Нынешняя лаборатория была построена в 1984–1986 гг. Она расположена на глубине 620 м на горизонте 27 шахты Саудан. При подземном расположении лаборатории толща перекрывающего ее породного массива сокращает фоновое космическое излучение в 100 000 раз по сравнению с этим излучением на поверхности.

При подземном расположении лаборатории толща перекрывающего ее породного массива сокращает фоновое космическое

Схема горных работ по добыче железной руды шахты Саудан. Слева — наклонный ствол

излучение в 100 000 раз по сравнению с этим излучением на поверхности. Физические эксперименты в Саудане фокусируются на трех основных темах: стабильность вещества (распад про

тона), природа и закономерности взаимодействия космических лучей и элементарных частиц, называемых нейтрино. Нейтрино имеют ненулевую массу, но эта масса чрезвычайно мала. Тем не менее предполагается, что оставшиеся во Вселенной после «Большого взрыва» нейтрино могут составлять часть или всю «темную материю». Свойства нейтрино влияют на механизмы фундаментальных взаимодействий элементарных частиц.

Лаборатория состоит из двух залов, связанных соединяющими туннелями: зал «Саудан» с размерами 72 х 14 х 14 (высота) м, зал MINOS с размерами 82 х 16 х 14 м. Общая экспериментальная площадь составляет 2 300 м 3 . В лаборатории в разные годы устанавливалось различное оборудование, набор которого соответствовал решаемым физическим задачам.

Главным инструментом Саудана служил металлический калориметр «Саудан» 2 весом 960 т, предназначенный для исследований распада протона и состоявший из 256 идентичных металлических модулей. Он не обнаружил свидетельств распада протона, но участвовал в в исследованиях нейтрино. Сейчас в лаборатории установлены детекторы MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) и CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) для низкотемпературного исследования темной материи. Осциллятор MINOS состоит из 486 модулей, он исследует превращения нейтрино из одного вида в другой или в антинейтрино.

Доступ в лабораторию обеспечивается с поверхности через наклонный ствол с двумя отделениями и через туннели доступа из горных выработок шахты. Вентиляция горизонта лаборатории объемом воздуха 550 м 3 /ч обеспечивается общешахтным потоком. Половина этого объема отводится для проветривания собственно научных полостей.

Детектор «Саудан 2»

Общий вид полости MINOS

Схема (слева) и фото (справа) детектора MINOS. Элементы детектора:: А — стальной модуль, D — стойки с электронной аппаратурой. Горизонтальная структура B — щит от космических лучей, над детектором — мостовой кран C — магнитная спираль,