7. Модель Большого Взрыва

7.1 Стандартная космологическая модель Большого Взрыва

    Стандартная космологическая модель Большого Взрыва была сформулирована в 1990 году. Ей предшествовали научные открытия, совершенные в XVII-XX веках.
    В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит Стандартная космологическая модель Большого Взрыва. Согласно этой модели момент Большого Взрыва характеризовался планковскими величинами для температуры Т_Пл, массы М_Пл и длины L_Пл. На рис. 49 приведены численные значения этих величин. Плотность вещества в окрестности Большого Взрыва была колоссальной: ρ_Пл − 10⁹⁴ г/см³. В начальный момент Вселенная была изотропной и все типы взаимодействий имели единую константу α. Предполагается, что в этот момент вещество существовало в форме кварк-глюонной плазмы, в которой наряду с кварками и глюонами могли присутствовать лептоны, W^±- и Z⁰-бозоны. Возможно, что в этот же момент могли образоваться Х- и Y-бозоны больших масс (~ 10¹⁶ ГэВ), которые могли бы впоследствии инициировать распад протона. Эти процессы заняли очень малое время (до 10^-10 секунды) и протекали при очень высокой температуре. Под действием взрывных сил Вселенная начала расширяться и ее температура стала падать. Однако в этот период из-за незначительных флюктуации между числом кварков и антикварков (~ 10^-10) могла возникнуть барионная асимметрия Вселенной. Другой возможной причиной барионной асимметрии может служить нарушение СР-инвариантности.
    По мере расширения Вселенной и падения ее температуры стали происходить фазовые переходы. Первый фазовый переход привел к разделению взаимодействий на сильное и электрослабое, каждое из которых стало характеризоваться своей константой взаимодействия a_s и a_w. Это произошло при температуре T₂ = 10¹⁵ ГэВ. Далее Вселенная продолжала расширяться со временем t, R = t^1/2. Затем наступил второй фазовый переход, который привел к разделению электрослабых взаимодействий на слабые и электромагнитные. Это произошло при температуре T₁ = 10 ГэВ. Выделилась константа электромагнитного взаимодействия α_е = е²/ћc = 1/137. Дальнейшее расширение Вселенной со временем стало протекать по закону R ~ t^2/3.

Рис. 49. Этапы эволюции Вселенной. Вертикальная шкала (в логарифмическом масштабе): слева − температура Т, °К; справа − время t, с.

    Вследствие термодинамического равновесия между элементами вещества образовались протоны, нейтроны и создалась предпосылка синтеза легких элементов: ³Не, ⁴Не, D, Li. При дальнейшей эволюции Вселенной начинается процесс нуклеосинтеза. В результате различных ядерных реакций создались условия для возникновения жизни в Солнечной системе. Рождение Солнца и возникновение жизни произошло спустя 10¹⁷ секунд (~ 10¹⁰ лет) после Большого Взрыва.
    На рис. 50 показаны изменения температуры расширяющейся Вселенной со временем для разных эр ее развития: планковская эра, кварковая эра, лептонная эра, фотонная эра, эра Материи. Этот рисунок иллюстрирует основные моменты развития Вселенной по Стандартной космологической модели Большого Взрыва.

Рис. 50. Изменение температуры Вселенной в зависимости от времени.

    На рис. 51 проиллюстрирована схема развития Вселенной в зависимости от температуры и времени. Надписи на рисунке показывают изменение состава Вселенной на различных этапах ее эволюции.

Рис. 51. Схема развития Вселенной в зависимости от температуры (верхняя шкала, оК) и времени (нижняя шкала, с).

    Процесс нуклеосинтеза, который наступил спустя 10⁵ лет после Большого Взрыва, привел к переходу от радиационно-доминантной к вещественно-доминантной Вселенной. В результате стали возникать звезды и галактики. В настоящее время Вселенная населена миллиардами звезд и галактик.
    Главные аргументы описанной картины эволюции Вселенной:

• существование фонового реликтового излучения, характеризующегося средней температурой фотонов 2.7°К;
• соотношения для распространенности легких элементов, измеренные экспериментально;
• доказательство факта расширения Вселенной и установление закона Хаббла.

В табл. 10 приводятся параметры Вселенной.

Таблица 10. Параметры Вселенной (t = 10¹⁷ с)

Возраст	12 −18 млрд. лет
Радиус (горизонт видимости), R0  = сt0	1028 см
Полное количество вещества	1056 г
Средняя плотность вещества	10-29 г/см3
Полное барионное число (количество нуклонов)	1078
Доля антивещества	<10-4
Постоянная Хаббла, Н	71 ± 7 км/с·Мпк*)
Температура реликтового (фонового) излучения	2.73 °К
Плотность реликтовых фотонов	411 см-3
Энергетическая плотность реликтовых фотонов	0.26 эВ/см3
Отношение числа реликтовых фотонов к числу барионов, nγ/nB	109:1
Распространенность атомов (ядер)	по числу	по массе
водород гелий  остальные	91% 8.9% < 1.9%	70.7% 27.4% 1.9%
Критическая плотность Вселенной

*⁾ 1 Мегапарсек (Мпк) - 3.1·10^ls км

7.2. Возможности современных ускорителей подтвердить модель Большого Взрыва

    Проблемы микрокосмофизики нашли свое выражение в теории Великого Объединения (Grand Unification Theory − GUT) всех типов взаимодействий. Эксперименты на действующих и проектирующихся ускорителях высоких энергий могут приблизить нас к пониманию условий ранней Вселенной.
    Большой адронный коллайдер (LHC) позволит изучить процессы, происшедшие спустя 10^-12 с после Большого Взрыва, т.е. десятки миллиардов лет тому назад. На рис. 52 показаны основные процессы, которые могут быть изучены на ускорителях частиц высоких энергий (SPS CERN, RHIC BNL, LHC CERN) в разных энергетических интервалах.

Рис. 52. Зависимость энергии (или температуры) Вселенной от времени ее образования, спустя 10-12 с после Большого Взрыва. Показаны процессы, которые могут быть изучены на ускорителях частиц в разных энергетических диапазонах.

    Стандартная Модель физики частиц позволяет объяснить некоторые процессы, предположительно протекающие при эволюции Вселенной, и приводит к формулировке гипотезы, которая получила название GUT-космология. В рамках этой гипотезы создана GUT-модель. в которой константы всех взаимодействий, зависящие от переданного импульса Q², сближаются при увеличении Q², вследствие чего они получили название "бегущие" константы. GUT-модель основана на SU(5)-симметрии, в которой все взаимодействия описываются одной универсальной константой связи и единым зарядом, в то время как сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия связаны с SU(3) × SU(2) × U(l) симметриями. В табл. 11 представлены основные процессы, протекающие с момента Большого Взрыва и учитываемые в GUT-модели.
    Аргументы в пользу GUT-модели могут быть получены на строящемся в ЦЕРН Большом адронном коллайдере LHC (рис. 52).

7.3. Астрофизика элементарных частиц

    Астрофизика элементарных частиц (микрокосмофизика) строится на основе: Стандартной Модели физики частиц, теорий Великого Объединения, космологических моделей (Стандартная космологическая Модель), ядерной астрофизики, структуры Вселенной, физики космических лучей.

Таблица 11. Этапы эволюции Вселенной, рассматриваемые в GUT-модели

    Основными проблемами астрофизики элементарных частиц являются существование темной материи, ее состав и детектирование, дефицит солнечных нейтрино, нейтрино от сверхновых, свойства физического вакуума. Многие из этих проблем (например поиск темной материи) предполагается решать не только на ускорителях высоких энергий, но и в неускорительных экспериментах.

7.4. О природе материи во Вселенной

    В настоящее время трудно установить доли разных компонент материи во Вселенной. В табл. 12 показан вариант вкладов в полную плотность Вселенной различных форм материи (в единицах
ρ_кр = 10^-29 г/см³).

Таблица 12. Вклады в полную плотность Вселенной различных форм материи
(в единицах ρ_кр = 10^-28 г/см³)

    Еще один из возможных вариантов, встречающийся в разных моделях, оценивает эти доли следующим образом (с точностью ~ 10%): вакуум (60%), темная материя (38%), обычное вещество (2%), излучение (10^-4%).
    Плотность материи во Вселенной ρ принято оценивать по отношению к критической плотности материи ρ_кр. Это отношение обозначается Ω = ρ/ρ_кр. Форма пространства Вселенной связана со значением этой величины. Если Ω = 1, то Вселенная плоская; если Ω < 1, то пространство Вселенной становится гиперболическим: если Ω > 1, то пространство Вселенной − сферическое. Измеренное к настоящему времени значение Ω = 1.1 ± 0.07 близко к единице, т.е. плотность материи во Вселенной близка к критической, а пространство Вселенной − плоское.
    Основной вклад в полную плотность материи во Вселенной вносит темная материя (Dark Matter − DM). Доля обычного вещества составляет малую часть полной плотности материи во Вселенной. Предполагают, что темную материю составляют многие частицы, не обнаруживающие себя путем испускания фотонов. Среди них первое место занимает массивное нейтрино. Другими кандидатами на роль темной материи могут быть SUSY-частицы, магнитные монополи, WIMP-частицы, аксионы и др. Все эти частицы пытаются обнаружить в экспериментах, которые ставятся как в лабораториях, так и в космическом пространстве.
    Среди суперсимметричных частиц, предсказываемых различными суперсимметричными (SUSY)-теориями и супергравитацией (SUGRA), только одна, легчайшая, может быть стабильна и давать вклад в величину плотности материи во Вселенной. В настоящее время теоретически известно слишком мало о природе и ожидаемых массах частиц − кандидатов на роль темной материи.
    Рассматривают два вида темной материи: горячая темная материя, которая состоит из релятивистских частиц, и холодная темная материя, которая состоит из очень тяжелых нерелятивистских частиц с массами, лежащими как минимум в ГэВ-ной области. Изучение структуры темной материи играет важную роль в понимании эволюции Вселенной. Небарионные кандидаты на роль темной материи представлены в табл. 13.

Таблица 13: Кандидаты на роль темной материи

Частица	Масса	Теория	Проявление
G(R)	−	Неньютонова гравитация	Прозрачная DM на больших масштабах
Λ (космологическая  постоянная)	−	ОТО	Ω = 1 без DM
Аксион, майорон, голдстоуновский бозон	10-5 эВ	QCD; нарушение симметрии Печен-Куина	Холодная DM
Обычное нейтрино	10−100 эВ	GUT	Горячая DM
Легкое нейтрино, фотино, гравитино, аксино, снейтрино	10−100 эВ	SUSY/DM
Парафотон	20−400 эВ	Модифиц. QED	Горячая, теплая DM
Правые нейтрино	500 эВ	Суперслабое взаимодействие	Теплая DM
Гравитино и т.д.	500 эВ	SUSY/SUGRA	Теплая DM
Фотино, гравитино, аксион, зеркальные частицы, нейтрино Симпсона	кэВ	SUSY/SUGRA	Теплая/холодная DM
Фотино, снейтрино, хиггеино, глюино, тяжелое нейтрино	МэВ	SUSY/SUGRA	Холодная DM
Теневая материя	МэВ	SUSY/SUGRA	Горячая/холодная (как барионы) DM
Преон	20−200 ТэВ	Составные модели	Холодная DM
Монополи	1016 ГэВ	GUT	Холодная DM
Пиргон, максимон, полюс Перри, Шварцшильд	1019 ГэВ	Теории высших размерностей	Холодная DM
Суперструны	1019 ГэВ	SUSY/SUGRA	Холодная DM
Кварковые "самородки''	1015 г	QCD, GUT	Холодная DM
Черные дыры	1015−1030 г	ОТО	Холодная DM
Космические струны, доменные стенки	(108−1010)М	GUT	Формирование галактик, могут не давать большого вклада в Ω

    Проблема темной материи тесно связана с проблемой физического вакуума. Вакуум − это изменяющаяся в ходе эволюции Вселенной среда с очень сложной структурой, которую следует учитывать при изменении состояния материи, взаимодействующей с вакуумом. В физическом вакууме происходит концентрация энергии в малых областях пространства.
    Плотность энергии вакуума ρ_V определяет космологическую постоянную Л, введенную Эйнштейном: ρ_V·8πG/c² = Λ (G − константа Ньютона). Вакуум − характеристика пространства-времени. Вопрос о составе физического вакуума непрерывно изучается. В его состав могут входить различные физические поля. Одной из возможных структур физики вакуума могут быть хиггсовские поля. Известно, что средняя энергия физического вакуума не равна нулю.

7.5. Нейтринная астрономия

    Нейтринная астрономия изучает физические процессы в космосе, происходящие с участием нейтрино, и решает проблемы регистрации космических нейтрино. В обычных звездах типа Солнца нейтрино рождаются в ядерных реакциях.
    Потоки нейтрино от других звезд на 10 порядков менее интенсивны, чем от Солнца (главным образом, за счет геометрического фактора (R/R₀)2, где R₀ = 10¹³ см − расстояние от Солнца до Земли); поэтому их труднее регистрировать.
    Но результат можно получить, если регистрировать нейтрино в разных точках на Земле разными детекторами одновременно. Такие совпадения будут свидетельствовать о вспышках − кратковременных потоках нейтрино, возникающих при эволюции звезд, например, при коллапсе звезды могут возникать мощные потоки нейтрино, которые могут быть одновременно зарегистрированы в разных детекторах на Земле. Вспышки сверхновых в нашей Галактике очень редки − ~ 1 раз за 50−100 лет.

Свойства нейтрино

    Гипотеза о существовании нейтрино была высказана Паули в 1930 году, чтобы избежать нарушения закона сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Непрерывный спектр β-распада требовал введения частицы с Z = 0, спином J = 1/2 и Е_ν + Е_е = Е_mах верхней границы β-спектра.
    Реакции под действием нейтрино протекают очень медленно и такие взаимодействия называют слабыми. Сечение слабого взаимодействия очень мало, и нужны огромные потоки нейтрино, чтобы зарегистрировать процесс взаимодействия нейтрино с веществом, поэтому только в 1956 году было доказано, что нейтрино существует. Наблюдалась реакция взаимодействия нейтрино с протоном вблизи ядерного реактора.
    Открытие несохранения четности (Р-четности) в β-распаде показало, что нейтрино должно иметь поляризацию вдоль направления движения (чтобы выполнялся закон сохранения момента количества движения).

Рис. 53. Левая и правая системы координат.

    Направление вращения спина J не меняется при отражении. Знак величины (·), где − импульс, называется спиральностью (λ) и меняется при переходе от правой системы координат к левой (рис. 53).
    До открытия несохранения четности казалось очевидным, что существуют оба спиральных состояния нейтрино:

левое	νL
правое	νR

    Оба нейтрино должны с одинаковой вероятностью вылетать при β-распаде. Опыт показал, что при β⁺-распаде позитрон всегда правополяризован, т.е. и нейтрино будет всегда левополяризовано (e⁺_R и ν_L). При β^--распаде − наоборот (e^-_L и _R). Понятие спиральности как внутреннего свойства частиц существует только для частиц с массой m = 0.
    Если m ≠ 0 (и v ≠ с), то возможны переходы L ↔ R. Если m_ν = 0, то v_ν = с, и такие переходы невозможны. В таком случае ν_R и _L вообще нельзя наблюдать, и неизвестно, существуют ли такие частицы.
    Обычно частицы со спином J = 1/2 описываются уравнениями Дирака с 4 компонентами ν_R, ν_L, _R, _L по аналогии с описанием электронов e^-_R, e^-_L, e⁺_R, e⁺_L. Для электронов все 4 компоненты наблюдаемы (компонента e^-_R не участвует в β-распаде, но взаимодействует с другими электрическими зарядами). Кроме того, т.к. m_e ≠ 0, то возможны переходы e^-_L ↔ e^-_R. Для нейтрино, как показывает опыт, две дираковские компоненты ν_R и _L ненаблюдаемы и, может быть, вообще не существуют в нашем мире.
    Майорана предположил, исходя из возможностей уравнений Дирака для частиц с нулевым зарядом, что нейтрино совпадает со своим антинейтрино. Тогда ν_R и ν_L составляют пару, и эти нейтрино называются майорановскими в противоположность 4-компонентным − дираковским нейтрино.
    Вопрос о том, какие нейтрино существуют в природе − майорановские или дираковские − пока не решен.
    В 1962 году Ледерман в Брукхейвене (США) на ускорителе протонов с Е_р ~ 30 ГэВ открыл существование двух типов нейтрино.
    Проводились поиски альтернативных мод распада

μ → е + ν +     и    μ → е + γ.

    Последняя реакция не наблюдалась, хотя распад не был запрещен известными законами сохранения.
    Поэтому казалось, что, если ν и − одна и та же частица, то аннигиляция ν + на виртуальном уровне возможна и будет идти реакция μ → е + γ. Так как такие распады не наблюдались, то надо было предположить, что ν и в реакции μ → е + ν + различны, т.е.

μ → e + ν_μ + _e.

    Пришлось ввести сохраняющееся лептонное число L, которое для e⁺, _e равно −L_e. Тогда для μ^±, ν_μ(_μ) будет ±L_μ соответственно. Очевидно, что распад μ → е + γ невозможен, а тогда невозможна и реакция ν_μ + n → е^- + р. а разрешена реакция ν_μ + n → μ^- + р. На таком рассуждении и был основан опыт Ледермана.
    На пучке протонов с Е_р ~ 15 ГэВ в Брукхейвене рождались пионы с энергией ~ 3 ГэВ, которые распадались π⁺ → μ⁺ + ν_μ. Броня из железа толщиной 13 м поглощала все заряженные частицы и пучок ν_μ попадал в искровую камеру, состоящую из 90 алюминиевых пластин толщиной 2.4 см каждая. В установке было 10 тонн p и n, пропущено было 10¹⁴ нейтрино от распада π в паре с μ.
    Если бы ν_μ не отличались от ν_e, то наблюдались бы реакции

ν_μ + n → е^- + р и ν_μ + n → μ^- + р,

т.е. е^- и μ^- наблюдались бы одинаково часто. На опыте наблюдались только μ^-, т.е. первая реакция не шла. Сейчас открыт τ-лептон и соответствующее ему ν_τ. В табл. 14 приводятся рассматриваемые в настоящее время лептоны.

Таблица 14. Семейство лептонов

	Частицы			Античастицы
Участвуют в слабом взаимодействии	e-L νeL	μ-L νμL	τ-L ντL	e+R eR	μ+R μR	μ+R τR
Не участвуют в слабом взаимодействии	e-R νeR	μ-R νμR	τ-R ντR	e+L eL	μ+L μL	μ+L τL

    Особенности взаимодействий лептонов

1. Компоненты R для частиц и L для античастиц не участвуют в слабых взаимодействиях.
2. Соответствующие заряженные частицы и античастицы участвуют в электромагнитных взаимодействиях.
3. Для заряженных лептонов возможны переходы L <−>R.
4. ν_R и _L при m_ν = 0 никак себя не проявляют.
5. Если масса нейтрино не равна 0, возможны осцилляции нейтрино.

7.6. Эксперименты с нейтрино и планирование их практического применения

    В настоящее время используются детекторы нейтрино, содержащие огромные количества вещества.
    Сечение взаимодействия нейтрино σ_ν растет линейно с энергией нейтрино и для процесса
ν  + p → h + μ

σ(ν  + p) = (0.83 ± 0.11)·10^-38 см²·E_ν (ГэВ),

а для реакции ν  + p → е + h

σ(ν  + p) = (0.28 ± 0.06)·10^-38 см²·E_ν (ГэВ).

Для процесса ν  + n сечение в 2 раза выше, чем для реакции ν  + p, т.е.

σ(ν  + n)/σ(ν  + p) =2.1±0.3

при E_ν > 1.5 ГэВ.

    Процессы, в которых генерируются нейтрино:

π^± → μ^± + ν_μ(_μ) с Е_ν = 0.031 ГэВ;
K^± → μ^± + ν_μ(_μ) с Е_ν = 0.237 ГэВ.

Электронные нейтрино образуются в реакции K → е + π + ν_e.
    Практическое применение нейтрино планируется реализовать для просвечивания Земли пучком v от ускорителей разных энергий и определения плотности Земли, поиска полезных ископаемых (проект Глэшоу), а также для регистрации нейтрино от астрофизических объектов при изучения взрывов сверхновых звезд, коллапса черных дыр.
    Регистрация нейтрино происходит через заряженные мюоны, возникающие от взаимодействий нейтрино с ядрами атомов. Поскольку нейтрино − слабовзаимодействующая частица, нужны огромные объемы вещества для реализации этих процессов. Для этой цели используется вода озер, морей и океанов (необходим объем m > 10⁷ тонн воды), а также огромные толщи материкового льда в Антарктиде. Заряженные мюоны испускают чсрснковскос излучение, которое регистрируется фотоумножителями, располагающимися в воде водоемов.
    Первый детектор большого объема был построен в Японии с целью обнаружить распад протона. Сейчас он используется для регистрации нейтрино. Этот детектор получил название Камиоканде и следующая его модификация − Супер Камиоканде. Он представляет собой большой бак, наполненный водой. По стенкам бака располагаются фотоумножители, которые должны зарегистрировать процессы, происходящие при взаимодействии частиц (например, нейтрино) с протонами воды. Чувствительная площадь этого детектора около 1000 м².
    В России выполняется эксперимент на озере Байкал, в котором гирлянда фотоумножителей опускается на глубину до 1.5 км.
    Крупным проектом, использующим морскую воду, был проект ДЮМАНД, в котором предполагалось системы фотоумножителей погружать глубоко под воду и с их помощью просматривать значительные объемы морской воды. Этот проект просуществовал недолго. Море вблизи Гавайских островов оказалось неспокойным и гирлянды фотоумножителей были затоплены. В настоящее время аналогичным способом предполагается измерять потоки нейтрино в эксперименте NESTOR вблизи берегов Греции, в котором фотоумножители будут погружаться на глубину более четырех тысяч метров. Еще одним крупнейшим проектом по регистрации нейтрино является проект AMANDA в Антарктиде, в котором вместо воды использован материковый лед. Глубина погружения фотоумножителей в толщу льда предполагается равной 2−2.5 км. Чувствительная площадь этого детектора должна быть ~ 10 тысяч квадратных метров.
    Регистрация нейтрино осуществляется также с помощью электронных методов. В электронных методах работают следующие реакции:

ν + n → р + е^-;
+ р → n + е⁺;
ν + е^- → ν + е^-;
+ е^- → + е^-.

Регистрируются заряженные частицы из этих реакций. Детекторы должны иметь разрешающее время 10^-9 с. В России сооружен и многие годы работает галлий-германиевый детектор под горой Чегет на Баксане в Кабардино-Балкарии:

⁷¹Ga + ν_e → ⁷¹Ge + e^-.

В этом эксперименте используются для регистрации электронов жидкие сцинтилляторы.

Эксперименты для регистрации нейтрино от взрывающихся звезд

    В эксперименте ДЮМАНД планировалось собрать гирлянды ФЭУ с радиусом обзора ~ 50 мегапарсек для регистрации нейтрино с энергией Е_ν > 10¹⁵ эВ. Объем детектора ~ 1 км³ (~ 10⁹ тонн воды). В таком объеме содержится ~ 10⁴⁰ нуклонов, что позволит регистрировать вспышки сверхновых звезд.
    По-видимому, в 1974 году на Земле (в Чили) была зарегистрирована вспышка сверхновой звезды (в 6 счетчиках возникло 24 импульса). Реакция могла быть + р → n + е⁺.
    Оценим, на каком расстоянии от Земли произошла такая вспышка. Если при вспышке выделилась энергия Е = 10⁵³ эрг, то при средней энергии нейтрино ε_ν ~ 30 МэВ поток нейтрино J_ν = 2·10⁵⁷. Поток нейтрино, пришедших на Землю, J'_ν = J_ν/2πR², где R − расстояние от Земли до звезды. Число зарегистрированных на Земле нейтрино N_peг = J'_ν·σ_ν·N₀, где N₀ − число ядер в мишени (на пути нейтрино в Земле) ~ 10³⁰, поперечное сечение взаимодействия нейтрино с ядром мишени σ_ν ~ 10^-40 см². Число зарегистрированных нейтрино N_peг ~ 10. Вспышка длится 10^-4−10^-2 с. Тогда расстояние до вспыхнувшей звезды Таким образом, зарегистрированная вспышка возникла на расстоянии ~ 5 кпс. Заметим, что от Солнца до центра Галактики ~ 10 кпс.
    В звездах непрерывно идут процессы, приводящие к образованию нейтрино. Поток нейтрино от звезд очень велик, поэтому процессы, происходящие в звездах, в принципе, могут быть зафиксированы.

Томография Земли

    Практическое применение нейтрино предполагается реализовать в экспериментах по томографии Земли.
    Первое предложение по просвечиванию Земли с помощью нейтрино было сформулировано в эксперименте БАТИСС (1983 год). Предполагалось, что нейтрино от ускорителя в Батавии (США) пройдет через Землю почти по диаметру и достигнет детекторов, расположенных в озере Иссык-Куль (СССР). Были выполнены подготовительные работы, однако эксперимент не был осуществлен.

Рис. 54. Схемы проектов GENIUS, GEMINI, GEOSCAN.

    Схемы проектов по томографии Земли, предложенных  А. Де Рухула (ЦЕРН), С.Л. Глэшоу (Гарвардский университет), Р.Р. Вильсоном (Колумбийский университет), Г. Шарпаком (ЦЕРН), в которых планируется исследование залежей нефти, поиск тяжелых металлов, определение плотности Земли с помощью пучков нейтрино от ускорителей, изображены на рис. 54.
    Пучок нейтрино от ускорителей, расположенных на поверхности Земли, направляется через толщу Земли. В проекте GENIUS регистрация эффекта от пучка нейтрино реализуется путем регистрации звуков, вызываемых мюонами, идущими в равновесии с нейтринным пучком. В экспериментах GEMINI и GEOSCAN регистрируются мюоны на выходе пучков частиц. В проекте GEOTRON (рис. 55) ускоритель располагается под поверхностью воды и распадная труба направляется в толщу Земли.
    Потоки мюонов, проходящие сквозь Землю, будут испытывать различные потери энергии, которые будут зависеть от свойств земных пород, встречающихся на их пути. Таким образом, по поглощению мюонов может быть определена плотность этих пород и залежи полезных ископаемых: нефти, газа и твердых пород различного состава (рис. 56).

Рис. 55. Схема проекта GEOTRON.

 

Рис. 56. Предполагаемое строение Земли, которое может быть обнаружено при просвечивании разных участков пучками нейтрино.

    Во всех этих проектах предполагается использовать пучки протонов с энергией Е_р = 10 ТэВ. Они направляются на неподвижную мишень, в которой протекает реакция

р + А→ π^± K^±.

Родившиеся заряженные пионы и каоны с помощью магнитов направляются в полую трубу, в которой происходит их распад по следующим каналам:

π⁺ → μ⁺ + ν_μ,    K⁺ → μ⁺ + ν_μ.

    Распадная труба ориентирована в глубь Земли и образовавшиеся в результате распада нейтрино могут просвечивать Землю по разным направлениям. Нейтрино, проходя сквозь Землю, образуют поток мюонов, который и регистрируется по выходе из Земли (GEMINI и GEOSCAN). В проекте GENIUS с помощью микрофонов регистрируется звук, распространяющийся в грунте от заряженных мюонов, идущих в равновесии с потоком нейтрино.