Проекты XXI века

"...Хочется посмотреть, как нейтроны толкают друг друга локтями!"

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы как составные блоки ядер называют нуклонами. Нуклоны взаимодействуют друг с другом посредством одинаковых ядерных сил, несмотря на то, что протон имеет электрический заряд, а нейтроны - нет. В теоретической физике это утверждение было сформулировано еще в начале 30-х годов в виде принципа изотоп-спиновой инвариантности ядерных сил.

Согласно этому принципу все три пары частиц: протон-протон, протон-нейтрон и нейтрон-нейтрон взаимодействуют между собой одинаково посредством ядерных сил. Однако последующие эксперименты показали, что ядерное взаимодействие в паре протон-протон примерно на 3 процента слабее, чем в паре нейтрон-протон. Назвав это явление нарушением зарядовой независимости ядерных сил, теоретики нашли ему объяснение и выдвинули более слабое утверждение о сохранении зарядовой симметрии ядерных сил, то есть идентичности ядерных взаимодействий в парах нейтрон-нейтрон и протон-протон. Проверка этого принципа осталась в наследство XXI веку.

Новое поколение физиков-ядерщиков давно уже считает нуклоны не элементарными частицами, а образованиями из истинно элементарных (на сегодняшний день!) частиц - кварков. Кварки должны обладать электрическим зарядом, кратным одной трети заряда протона и массой, величина и природа которой еще не выяснены, равно как и явление "конфайнмента" - невозможности существования свободных кварков вне нуклонов. Квантовая хромодинамика - современная теория ядерных сил - предсказывает нарушение зарядовой симметрии и оценивает его на уровне 0,1-0,5 процента в зависимости от используемых моделей массы кварков и взаимодействий между ними. Несколько экспериментальных подходов к измерению величины нарушения зарядовой симметрии активно развиваются в настоящее время как в физике элементарных частиц, так и в ядерной физике. К таким экспериментам относится измерение длины рассеяния нейтрона на нейтроне (или, формулируя более точно, длины синглетного (n-n)-рассеяния, то есть рассеяния в сферически симметричном по спину состоянии) с тем, чтобы сравнить ее с известной длиной рр-рассеяния. Такой выбор обусловлен тем, что длина рассеяния может послужить как бы десятикратным увеличительным стеклом для наблюдения ядерных сил. Так, например, 1-процентное различие ядерных сил ведет к 10-процентному различию длин рассеяния. Напомним, что длина рассеяния - это параметр, характеризующий вероятность взаимодействия частиц при низких энергиях. Число взаимодействий в 1 см³ мишени всегда пропорционально плотности частиц мишени, плотности пучка частиц и эффективному сечению взаимодействия. При малых энергиях эффективное сечение просто равно квадрату длины рассеяния, умноженному на 4π, то есть равно эффективной площади частицы. Таким образом, прямое измерение длины n-n-рассеяния на практике означает измерение эффективного сечения рассеяния нейтрона на нейтроне.

Все было бы очень просто, если бы в природе существовала достаточно плотная мишень из свободных нейтронов. Но в отличие от протонов, которые существуют в природе как ядра атомов водорода, чисто нейтронной мишени на Земле нет. Нейтроны перемешаны с протонами в ядрах других, кроме водорода, химических элементов. Чтобы обойти эту трудность, физики давно предложили косвенные методы определения длины (n-n)-рассеяния. Например, осуществляя реакцию d(n,nn)p, то есть, бомбардируя пучком нейтронов дейтронную мишень (дейтрон - ядро "тяжелого" водорода, состоящее из протона и нейтрона), можно расщепить дейтрон и, таким образом, получить в конечном состоянии три частицы: протон и два нейтрона. А затем исследовать, как меняется форма энергетического спектра протонов при тех или иных предположениях о взаимодействии между нейтронами, то есть при различных теоретических значениях длины n-n-рассеяния.

Другой популярной реакцией стала d(π-,nn)γ, то есть радиационный захват пиона дейтроном, конечным продуктом которой являются два нейтрона и γ-квант, спектр которого изучается. Интересна и поучительна история этих косвенных методов исследования длины (n-n)-рассеяния. К шестидесятым годам длина р-р-рассеяния была измерена и составляла (-17,3 ± 0,4) Ферми. (Ферми - единица длины в ядерной физике, составляющая 10^-15 м. Названа в честь Э. Ферми). Знак минус означает то, что ядерные силы действуют на расстояниях больших, чем размер нуклона. Конечно, протоны расталкиваются кулоновскими силами, однако на расстоянии между протонами порядка размера самого протона электрическое "расталкивание" протонов на много порядков меньше, чем ядерные силы сцепления, действующие между этими протонами.

Вплоть до 80-х годов было выполнено несколько экспериментов (косвенных), в которых значение длины рассеяния нейтрона находилось в диапазоне от -15 до -25 Ферми. Наконец, в середине 80-х годов среднемировые значения длин рассеяния, противоречащие друг другу, устоялись на двух уровнях: (-16,7 ± 0,5) Ферми из реакции d(n,nn)p и (-18,45 ± 0,40) Ферми из реакции d(π-,nn)γ. Только в конце 90-х годов ядерная лаборатория TUNL (Северная Каролина, США) осуществила исследование обеих реакций с результатами, которые сошлись в одном значении (-8,7 ± 0,6) Ферми, означавшему обнаружение нарушения зарядовой симметрии ядерных сил в (1,4 ± 0,7) Ферми, то есть различия длин р-р и n-n-рассеяний. История на этом не закончилась. Уже в 2001 году в Институте ядерной физики университета в Бонне (Германия) для реакции d(n,nn)p был получен результат (-16,3 ± 0,4) Ферми, оспаривающий результат лаборатории TUNL. Таким образом, проблема, экспериментального определения длины n-n-рассеяния, по-видимому, не может быть решена косвенными методами. Необходимо прямое измерение длины рассеяния нейтрона на нейтроне.

Главной трудностью наблюдения процессов столкновения нейтрона с нейтроном является то, что в направленных друг на друга пучках взаимные столкновения нейтронов маловероятны, поскольку их размеры достаточно малы, малы и концентрации нейтронов в таких пучках. Изучать рассеяние протонов на протонах в этом смысле гораздо легче. В современных ускорителях на встречных пучках удается довольно сильно сжать пучки протонов до малых размеров, к тому же эти частицы можно многократно использовать, сохраняя их на кольцевой орбите. Таких возможностей для нейтронов нет, так как нейтронные пучки довольно рыхлые и их нельзя сжать; невозможно осуществить и накопление нейтронов на кольцевых орбитах для их многократного использования. Получаемые от реакторов нейтронные пучки довольно сильно расходятся в пространстве, поэтому постановка двух реакторов друг против друга не позволит получить достаточную для наблюдения вероятность столкновений нейтрона с нейтроном. Эта вероятность зависит от размера нейтрона и от произведения интенсивностей сталкивающихся пучков, а в равномерно направленном во все стороны (изотропном) потоке нейтронов вероятность их взаимных столкновений зависит от квадрата плотности нейтронного потока.

Преимущество постановки актуального эксперимента по измерению длины рассеяния нейтрона на нейтроне на мощном импульсном реакторе заметил еще в 60-е годы заместитель директора ЛНФ Ф.Л. Шапиро. Несколько десятилетий спустя весной этого года первые тестовые измерения в (n-n)-эксперименте состоялись в уральском городе Снежинске на ректоре ЯГУАР. На снимке: активная зона реактора ЯГУАР ВНИИТФ.

Наиболее плотные изотропные потоки нейтронов можно получить в центре импульсных реакторов, механизм срабатывания которых очень напоминает взрыв атомной бомбы. В отличие от нее при достижении заданной мощности реактор сам себя гасит, не доводя процесс до разрушения конструкции. Такие реакторы были в свое время построены для совершенствования атомного оружия. Наиболее оптимальный для постановки (n-n)-эксперимента импульсный реактор ЯГУАР находится в России на Урале, во Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики (ВНИИТФ) в городе Снежинске.

Конструкция этого реактора напоминает обычный самовар. Через центр активной зоны вертикально проходит труба, из которой откачан воздух. Уран-содержащая жидкость окружает со всех сторон эту трубу, и в момент импульса реактора излучает во все стороны огромное число нейтронов (~10¹⁸). Таким образом, максимальный поток нейтронов достигается в трубе в центре реактора, в объеме около 3 литров. Летящие навстречу друг другу с противоположных стенок активной зоны нейтроны сталкиваются в трубе и разлетаются во всех направлениях. Часть из них может беспрепятственно вылететь по трубе вдоль ее оси и попадает в детектор нейтронов, установленный на конце трубы. При этом очень важно, чтобы детектор нейтронов "не видел" напрямую стенок трубы, соприкасающихся с активной зоной реактора, от которых нейтроны могут непосредственно попасть в детектор. Поэтому надо очень точно выставить активную зону реактора и систему поглощающих кольцевых коллиматоров в трубе. Для примера здесь отметим, что поток нейтронов на детекторе от (n-n)-рассеяния в 10¹⁶ раз меньше, чем поток нейтронов от реактора без защиты.

Рассеяние нейтронов на остаточном газе подавляется откачкой трубы до вакуума ~10^-7 торр. Для того, чтобы избавиться от огромного потока быстрых нейтронов во время вспышки реактора (с длительностью ~10^-3 секунды), которые мгновенно попадают в детектор, используется замедление нейтронов в полиэтиленовом блоке, помещенном в активную зону у стенок трубы. Рассеянные друг на друге тепловые нейтроны движутся медленно по трубе и прилетают к детектору через ~5 х 10^-3 секунды после вспышки реактора. К этому моменту реактор уже заглушен, и фон от быстрых нейтронов его активной зоны достаточно (в 10⁴ - 10⁵ раз) подавлен. Чтобы выделить из общего счета детектора только те нейтроны, которые рассеялись друг на друге, реактор делает несколько вспышек разной мощности и из общего счета детектора нейтронов выделяется только та часть, которая зависит от квадрата мощности (интенсивности потока) отдельных вспышек реактора.

Преимущество постановки (n-n)-эксперимента на импульсном реакторе заключается в том, что в этом случае существует возможность эффективно подавить фон детектора, включая его только на очень короткий промежуток времени, соответствующий максимальному потоку от (n,n)-рассеянных нейтронов, в отличие от стационарных реакторов, где эффект от (n-n)-рассеяния равномерно "размазан" по всему времени работы реактора. Именно это преимущество мощных импульсных реакторов для (n-n)-эксперимента и его актуальность были отмечены еще в 60-х годах заместителем директора ЛНФ Ф.Л. Шапиро, поставившим этот эксперимент на первое место в приоритетном списке для обоснования строительства реактора ИБР-2 в Дубне.

Профессор Ю. Я. Стависский, один из создателей первого ИБР в Дубне, для (n-n)-эксперимента предложил использовать строящийся в Женеве ускоритель протонов LHC для генерации мощных нейтронных импульсов, которые по расчету соизмеримы и даже несколько превосходят параметры лучших импульсных реакторов. Однако его предложение пока не получило поддержки в ЦЕРН, что может быть вызвано узкопрофессиональной направленностью деятельности этого института, в круг интересов которого не входит ядерная физика низких энергий.

Группа физиков из ЛНФ обратила внимание на то, что реактор ЯГУАР является лучшей в мире установкой для проведения (n-n)-эксперимента и связалась с физиками из Снежинска. Начальник отделения ВНИИТФ Э.П. Магда, руководители лабораторий этого института Б.Г. Леваков и А.Е. Лыжин согласились с постановкой эксперимента по (n-n)-рассеянию на реакторе ЯГУАР и с энтузиазмом включились в работу по подготовке этого эксперимента. В этом нас поддержали и американские физики из Ядерной лаборатории TUNL профессора В. Торноу, К. Хоуэлл и Г. Митчелл, которые принимали участие в экспериментах по непрямому измерению амплитуды (n-n)-рассеяния. Наши американские коллеги содействовали тому, чтобы американская сторона взяла на себя финансирование проекта по (n-n)-рассеянию на реакторе ЯГУАР в рамках гранта МНТЦ, и помимо этого приобрела некоторое ценное оборудование. Ощутимую финансовую поддержку наш проект по (n-n)-рассеянию получил от Минатома России и от дирекции ОИЯИ. На эти средства в 2003 году был произведен демонтаж реактора ЯГУАР и осуществлена проходка шахты в скальном уральском грунте на глубину 10 метров, в которой потом был забетонирован вакуумный канал. После некоторой модернизации зала, реактор был заново смонтирован, и над зданием реактора в настоящее время сооружается вертикальный 15-метровый вакуумный канал, который позволит существенно снизить фон детектора от нейтронов, рассеянных на значительно удаленном от реактора торце вакуумной трубы. Подавление фона от нейтронов, рассеянных на стенках трубы и коллиматорах, и восстановление значения сечения (n-n)-рассеяния из экспериментальных данных являются двумя главными условиями успешного выполнения (n-n)-эксперимента.

В настоящее время во ВНИИТФ, ОИЯИ и TUNL проводятся расчеты фоновых условий (n-n)-эксперимента и извлечения значения амплитуды (n-n)-рассеяния из экспериментальных результатов. Группа физиков из ЛНФ ОИЯИ изготовила специальные детекторы нейтронов и совместно со специалистами из ВНИИТФ провела в марте-апреле этого года измерения фоновых условий от быстрых, эпитепловых и тепловых нейтронов по всей глубине подреакторной шахты. Наблюдалось 2-3-кратное превышение фона над расчетным значением, что требует повторения измерений после совершенствования конструкции коллимационной системы и юстировки элементов нейтронного канала и самого реактора относительно оси вакуумного канала.

В самом начале 90-х годов одному из авторов этой статьи довелось обсуждать с легендарным руководителем Арзамаса-16 Ю.Б. Харитоном целесообразность постановки (n-n)-эксперимента на реакторе БИГР во ВНИИЭФ. В то время наша лаборатория вела работы по генерированию газа ультрахолодных нейтронов на самом мощном импульсном реакторе БИГР. Тогда уже мы присматривались к этому реактору для (n-n)-эксперимента, но впоследствии оказалось, что реактор ЯГУАР в Снежинске для этого более предпочтителен. Взвешивая все "за" и "против", Юлий Борисович завершил обсуждение словами: "А все-таки хочется посмотреть, как нейтроны толкают друг друга локтями!".

А. Стрелков,
Э. Шарапов,
ведущие научные
сотрудники ЛНФ