Чтобы понять глубокий космос, ученые работают в недрах земли

В 1969 году Нил Армстронг, от лица всего мира осуществил «гигантский скачок» на Луне. Мало кто из нас наблюдал за его первым шагом по телевизору, но в то время миллионы людей приникли к экранам и с замиранием сердца фиксировали картинку. Смог бы я описать его шаги, случись они вчера или сегодня? Был бы я взбудоражен, восхищен, вдохновлен? Не знаю. Магия этой истории в том, что она разворачивалась постепенно и затягивала все больше людей.

То, как мы смотрим на мир, влияет на то, что мы видим: первый взгляд на открытый космос вдохновил интерес к науке. И хотя многие не стали учеными, околонаучными разработками стали заниматься все больше и больше людей. Здесь Констанс Уолтер работал с учеными Сэнфордского подземного научного центра в Лиде, Южная Дакота, объясняя сложные физические эксперименты тем, кто их не понимал. Иногда это было нелегко. Вы слышали о безнейтринном двойном бета-распаде? Вряд ли. Если бы вам сказали, что эта редкая форма ядерного распада прошла длинный путь, помогая нам понять загадки Вселенной, вы бы что-нибудь поняли? Возможно. Слова словами, но иллюстрация или анимация могли бы дать вам лучшее представление.

Кэтрин Джепсен, главный редактор журнала по физике Symmetry, так использует эту потребность в визуализации: пытаясь создать изображения для своих читателей, она никогда не уверена, что они увидят то, что она хочет — поэтому, работая с иллюстраторами, создателями видео и фото, она добивается того, что они видят то, чего хочет она.

И такие визуализации могут быть крайне полезны. Взгляните на анимацию от Oak Ridge National Laboratory. Используя модели, которые обрабатываются суперкомпьютерами в Национальном центре вычислительных наук, анимация показывает ожидаемую работу термоядерного реактора ИТЭР. Анимация отлично показывает, как можно было бы использовать реакторы ядерного синтеза для выработки энергии.

Вгрызаясь в камень науки

Сэнфордская лаборатория может рассказать много историй: про сложные научные эксперименты, Нобелевскую премию, 126 лет работы в шахте и другие. Часть этих историй появляется на Deep Thoughts, на сайте Сэнфордской лаборатории и в других изданиях. Но ее сотрудники полагаются не только на слова — видео и фотографии могут сыграть лучше, презентуя лабораторию миру.

Ученые Сэнфордской лаборатории закапываются глубоко в недрах в поисках ответов на самые сложные физические вопросы о Вселенной. Каково происхождение материи? Что такое темная материя и откуда мы знаем о ее существовании? Как ни странно, поиск глубоко под землей может помочь найти ответы на эти фундаментальные вопросы о Вселенной.

И вот как: вытяните руку. Через поверхность Земли каждый день проходят тысячи космических лучей. Но в километре под землей, где и проводятся эти крупные физические эксперименты, в миллион раз тише. Порода выступает в качестве природного щита, блокируя большую часть излучения, которое может помешать проведению чувствительных физических экспериментов. Сэнфордская лаборатория прекрасно готова к проведению крупных физических экспериментов и по другой причине: твердые породы бывшей золотоносной шахты Хоумстейк отлично подходят для выемки крупных пещер, необходимых для проведения таких экспериментов.

С 1876 по 2001 год шахтеры добыли больше 40 миллионов унций золота и 9 миллионов унций серебра из этой шахты. Сначала они работали кирками, молотками и лопатами — часто в ночи, при свете свечей. Закопавшись глубже, они доставили под землю тележки и мулов для добычи руды. Некоторые животные рождались, росли и умирали, не увидев света солнца. К началу 1900-х Хоумстейк обзавелась локомотивами, сверлами и светом. К началу 1980-х глубина шахты достигла 2,5 тысяч метров, сделав ее самым глубоким золотым рудником в Северной Америке, туннели которого расходились на восемьсот километров под землей. В свои лучшие дни Хоумстейк обеспечивала работой порядка 2000 человек, но когда цены на золото упали, а расходы выросли, компания-добытчик решила понемногу сократить персонал и уменьшить выработку.

Наконец, в 2001 году корпорация Barrick Gold, которая владела шахтой, закрыла объект. Спустя пять лет компания безвозмездно передала его Южной Дакоте для использования в качестве подземной лаборатории. В том же году филантроп Денни Сэнфорд пожертвовал проекту 70 миллионов долларов. С тех пор государство вложило свыше 45 миллионов долларов в этот проект.

История Хоумстейк как глубоко подземной научной лаборатории началась в середине 60-х годов. Химик-ядерщик Рэй Дэвис провел эксперимент с солнечными нейтрино на глубине 4850 футов (почти полтора километра) в шахте Хоумстейк. Используя бак с перхлорэтиленом объемом 400 000 литров, Дэвис искал взаимодействия нейтрино с атомами хлора, полагая, что те превратятся в атомы аргона.

Свыше тридцати лет Дэвис работал, чтобы доказать теорию, разработанную с его коллегой Джоном Бакаллом, профессором астрофизики в Школе естественных наук при Институте перспективных исследований в Принстоне. Пара предположила, что загадки солнца можно разгадать, измеряя число нейтрино, прибывающих на Землю с Солнца. К 1970-м годам Дэвис доказал, что его теория верна, но осталась проблема: Дэвис обнаружил лишь треть нейтрино от предсказанных стандартной солнечной моделью и физикой элементарных частиц. Это привело к появлению проблемы солнечных нейтрино.

«Проблема солнечных нейтрино вызвала большое смятение среди физиков и астрофизиков, — сказал Дэвис много лет спустя. — Тогда я считал, что что-то не так со стандартной солнечной моделью; многие физики считали, что что-то не так с моим экспериментом».

Ученые подземных лабораторий по всему миру хотели найти ответ на этот вопрос. В конце концов, загадку разрешили ученые двух отдельных экспериментов: один в SNOLab в Канаде, другой в сотрудничестве с Супер-Камиоканде. Выяснилось, что нейтрино весьма хитрые штуки, меняющие «ароматы» по мере путешествия через космос: они колеблются между электронным, мюонным и тау-нейтрино. Детектор Дэвиса смог увидеть только электронные нейтрино.

В 2002 году инновационные исследования Дэвиса принесли ему Нобелевскую премию по физике — вдохновив физиков оккупировать лабораторию на освященной земле в заброшенной шахте Хоумстейк. А в этом году Такааки Каджита из Супер-Камиоканде и Артур Макдональд из SNOLab разделили Нобелевскую премию по физике за свое обнаружение нейтринных осцилляций.

Неповторимая (и очень глубокая) дыра

Из-за богатой физической истории места и его уникальной структуры, Южная Дакота и многие ученые пожелали иметь глубокую подземную лабораторию в этой шахте на много миллиардов долларов, глубиной в 2250 метров — и в 2007 году Национальный научный фонд США выбрал ее в качестве желаемого места для основания Deep Underground Science and Engineering Laboratory (DUSEL).

В 2010 году, однако, Национальный совет по науке решил закрыть финансирование проекта DUSEl. Физики, граждане и политики тут же начали искать другие источники финансирования, и в 2011 году Министерство энергетики США (DOE) при помощи Национальной лаборатории Лоренса Беркли согласилось поддерживать текущие научные операции в Сэнфордской лаборатории, при этом изучая возможности проведения других долгосрочных экспериментов в подземной лаборатории.

Сегодня Сэнфордская лаборатория вмещает три крупных физических эксперимента, которые проводятся глубоко под землей (на уровне 4850).

Эксперимент Large Underground Xenon (LUX) ищет темную материю, которая составляет большую часть материи во Вселенной, но пока не была обнаружена. Мы не можем прикоснуться к темной материи или увидеть ее, но знаем, что она существует, по гравитационным эффектам, которые она оказывает на галактики и скопления галактик. Ученые LUX используют сосуд, на одну треть наполненный тонной жидкого ксенона, в надежде, что когда слабо взаимодействующая массивная частица (вимп, WIMP) попадет в атом ксенона, детекторы засвидетельствуют это событие. В октябре 2013 года, после 80 дней работы, LUX получил титул самого чувствительного детектора темной материи в мире.

Бак LUX до заполнения

Майорановский эксперимент возвращает нас к тому самому странному безнейтринному двойному бета-распаду. Нейтрино, которых во Вселенной очень много, часто называются «призрачными» частицами, поскольку проходят через материю, будто ее вовсе нет. Ученые Майорановского эксперимента надеются уловить редкий безнейтринный двойной бета-распад, который покажет, могут ли нейтрино быть собственными античастицами.

Внутреннее медное покрытие эксперимента Majorana Demonstrator состоит из двух слоев меди. Внешний слой представлен чистейшей медью, которую только можно купить за деньги. Внутренний слой меди — чистейший в мире. Он выращен в процессе гальванопластики в лаборатории Сэнфорд.

Ответ на этот вопрос поможет нам понять, почему существуют люди — и вообще вселенная. Майорановский эксперимент требует настолько чистого окружения, что построен почти полностью из меди, вылитой глубоко под землей, и использует десятки детекторов, состоящих из обогащенных кристаллов германия (76Ge). Детекторы строятся в сверхчистом «ящике», который периодически продувают газообразным азотом, чтобы ни одна пылинка не упала на сверхчувствительные детекторы. По завершении, линии детекторов размещают в медном сосуде, который покрывается многослойным щитом для дополнительной защиты от окружения.

Ученые CASPAR (Compact Accelerator System for Performing Astrophysical Research) изучают ядерные процессы в звездах. Их цель заключается в создании тех же реакций, которые происходят в звездах чуть старше нашего солнца. Если им это удастся, они смогут выстроить картинку того, как выстраивались элементы нашей вселенной. Эксперимент проходит калибровочные испытания и будет запущен в начале 2016 года.

Появилась ли у вас в голове какая-нибудь картинка на тему этих экспериментов? Верна ли она? Сложно сказать. Мы пытаемся донести до публики, почему наука — это важно. И без картинок в нашем деле просто не обойтись.

Изображение эксперимента Long Baseline Neutrino Facility/Deep Underground Neutrino

Шахта по «добыче» темной материи

Рэнди Хьюз, собирающий медные детали для Майорановского эксперимента