Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Неудивительно, что нейтрино упоминаются и в популярном сериале-ситкоме «Теория Большого взрыва» (The Big Bang Theory), двое из главных героев которого – физики. Научный консультант сериала – Дэвид Зальцберг из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса – сам является физиком и, в частности, работает с нейтринными телескопами. В сериале есть такая сцена: Шелдон Купер, один из главных героев, у себя в кабинете ломает голову над уравнениями, записанными на доске; тут входят Леонард Хофштадтер – коллега Купера, вместе с которым они живут в одной комнате, а также их общий друг, инженер Говард Воловиц. Шелдон восклицает: «Вот ты где, мой пропавший нейтрино! Скрывался от меня, как несбалансированный заряд, верно? Ах ты, маленький субатомный чертенок!» Пропустив мимо ушей дружеские приветствия, он продолжает: «Смотрите, я нашел мой потерянный нейтрино!» Говард сухо отвечает: «Отлично, теперь мы можем убрать надпись “Разыскивается” с пакетов молока».

Нейтрино фигурируют во многих научно-фантастических произведениях. Как правило, по их вине случаются странные события или возникают катаклизмы. Например, в романе Роберта Сойера «Вспомни, что будет»[3] (Flashforward) рассказывается о выбросе нейтрино умирающей звездой. Все люди, подвергшиеся действию нейтринного вихря, ненадолго теряют сознание и словно во сне переживают события, которые произойдут примерно через 21 год. В романе Грега Бира «Основание и хаос» (Foundation and Chaos) сильнейшая нейтринная буря стирает из памяти роботов те правила, которым они должны следовать (что-то вроде «Законов робототехники» Айзека Азимова). В результате на Земле воцаряется хаос. Не так давно вышел голливудский фильм-катастрофа «2012» режиссера Роланда Эммериха, сюжет которого опять же завязан на необычных свойствах, приписываемых нейтрино: якобы эти частицы перегревают земное ядро, что вызывает катастрофические землетрясения и наводнения.

Несмотря на популярность нейтрино в массовой культуре, реальные научные исследования, связанные с этими частицами, долго не привлекали внимания широкой общественности, обсуждаясь исключительно в кругах профессиональных физиков. Ситуация изменилась совсем недавно – термин «нейтрино» попал в заголовки прессы, поскольку была выдвинута гипотеза, что эти частицы, возможно, движутся со сверхсветовой скоростью. Как известно, Альберт Эйнштейн еще в 1905 г. обосновал, что, согласно законам физики, ничто во Вселенной не может превысить скорость света. Крупная международная коллаборация физиков, называемая OPERA[4], озвучила этот поразительный вывод в исследовательской статье, которая была опубликована в Интернете, а также представлена на пресс-конференции, состоявшейся в конце сентября 2011 г. По данным ученых, частицы преодолели со сверхсветовой скоростью расстояние между Лабораторией изучения физики частиц Европейской организации ядерных исследований (CERN), расположенной в Женеве, Швейцария, и подземным детектором, установленным в местечке Гран-Сассо на территории Италии. Нейтрино проделали этот путь на 60 наносекунд быстрее, чем если бы двигались со скоростью света.

Несмотря на то, что докладчик OPERA рассказал об этом результате в очень осторожных выражениях, и, невзирая на скептическую реакцию большинства специалистов по нейтрино, новость мгновенно облетела весь мир. Пожалуй, такой ажиотаж был неудивителен, учитывая, какой переворот в науке могло совершить подобное открытие. Если бы оно подтвердилось, то сразу же опровергло бы эйнштейновскую Специальную теорию относительности – краеугольный камень современной физики. В статье журнала Time, посвященной этому событию, отмечалось: «Если результаты эксперимента европейцев верны, Эйнштейн был не просто не прав, а ошибался бы в корне». Большинство физиков и журналистов подчеркивали, что ошеломляющие выводы эксперимента требуют более детального исследования и независимой проверки. «Если этот результат подтвердится, он изменит весь мир, – говорилось в статье The New York Times, – но речь идет о колоссальном “Если”».

Однако все эти перестраховочные выражения померкли на фоне бурных спекуляций о путешествиях со сверхсветовой скоростью и грандиозных перспективах новой физики. Повсюду зазвучали шутки о нейтрино и о том, как эти частицы связаны с путешествиями во времени. Некоторые остряки заявляли, что в Швейцарии нейтрино вели себя законопослушно, но, стоило им пересечь границу Италии, как они сразу же преодолели световой барьер. В сериале «Теория Большого взрыва» Шелдон Купер пытается оживить беседу за обедом и предлагает обсудить тему: «Движущиеся быстрее света частицы CERN – будоражащее открытие или очередное швейцарское творение, такое же дырявое, как их сыр?» Ирландская фолк-группа Corrigan Brothers, выступавшая, кстати, в 2009 г. на инаугурации президента Барака Обамы, выложила на YouTube свою песню, исполненную совместно с Питером Крейтоном. В этой композиции музыканты задавались вопросом: остается ли верным уравнение E = mc2, если нейтрино могут двигаться со сверхсветовой скоростью? Правда, в финале песни музыканты предостерегают слушателей от поспешных выводов и предполагают, что, возможно, Эйнштейн все-таки был прав насчет непреодолимости скорости света.

Некоторые ученые пытались найти этому результату объяснение, которое не отменяло бы предельности светового барьера. Физики-теоретики предположили, что швейцарские нейтрино могли проникнуть в Италию через какое-то скрытое измерение, как в сериале «Звездный путь», уменьшив таким образом расстояние, которое требовалось покрыть. Предлагалось и иное объяснение, связанное с искривлением пространства-времени поблизости от Земли. Многие критики указывали на то, что в эксперименте могли быть попросту допущены ошибки. Физики Эндрю Коэн и Шелдон Глэшоу из Бостонского университета указали на серьезную теоретическую нестыковку: если бы поток нейтрино двигался со сверхсветовой скоростью, он бы порождал массу других элементарных частиц и, следовательно, стремительно терял бы энергию. Таким образом, к моменту прибытия в Гран-Сассо в этом потоке должны были бы отсутствовать нейтрино высоких энергий, чего в реальности не наблюдалось. Тем временем в середине ноября коллаборация OPERA провела второй, более точный замер скорости, который еще раз подтвердил поразительный результат эксперимента.

Спустя три месяца CERN выпустил краткое, но критически важное уточнение. В нем среди прочего сообщалось: «Участники коллаборации OPERA проинформировали своих партнеров о том, что им удалось обнаружить два эффекта, которые могли повлиять на изменение скорости нейтрино. Причем эти эффекты могли привести как к переоценке, так и к недооценке скорости». Первый возможный эффект связан с генератором импульсов, который использовался для получения точных сигналов времени в системе синхронизации GPS и мог завысить время полета нейтрино. Второй эффект связан с разъемом волоконно-оптического кабеля, по которому передавался внешний сигнал системы GPS к главным часам эксперимента. Этот разъем мог быть неправильно подсоединен во время проведения измерений и вызвать занижение времени полета нейтрино. В большинстве статей в СМИ, а также в комментариях по этому поводу именно вторая версия трактовалась как наиболее вероятная. В газете The Wall Street Journal отмечалось, что эта ошибка может быть чревата «удручающими последствиями» для допустивших ее исследователей. 16 марта 2012 г. опыт с нейтрино был повторно поставлен другой группой физиков, которые также установили свой детектор ICARUS в районе Гран-Сассо. Они опубликовали новые данные о полете нейтрино из CERN в Гран-Сассо; на этот раз измеренная скорость частиц не превышала скорость света. «Новые данные указывают на то, что результат, полученный коллаборацией OPERA, был обусловлен дефектом измерительного оборудования», – заявил Серджио Бертолуччи, директор по исследованиям CERN.

Пусть в итоге и оказалось, что нейтрино не движутся быстрее света, эти частицы уже поведали нам массу интересного о причудах субатомного мира и даже позволили заглянуть в пылающие солнечные недра. Кроме того, без нейтрино невозможно было бы сконструировать ни атомную бомбу, ни ядерный реактор. Именно нейтрино стали «первыми ласточками», по которым ученые узнали о драматической кончине массивной разбухшей звезды, взорвавшейся на расстоянии 160 000 световых лет от нас в галактике Большое магелланово облако (БМО). БМО – это галактика-спутник Млечного Пути, большой спиральной галактики, в которой обитаем мы. БМО можно наблюдать в небе Южного полушария в виде тусклого мутного пятнышка. Три подземных детектора, установленные в России, США и Японии, уловили около двух десятков нейтрино, образовавшихся при этом взрыве. Это ничтожная доля от миллиардов миллиардов этих частиц, пронизавших нашу планету в ходе краткого нейтринного всплеска, который пришелся на 23 февраля 1987 г. Нейтрино были пойманы всего через несколько часов после того, как в высокогорной чилийской обсерватории удалось наблюдать взрыв этой сверхновой в видимом спектре.