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

Следует отметить, что еще около 10 лет назад поступило сообщение о том, что безнейтринный двойной бета-распад удалось обнаружить. С таким заявлением выступила небольшая группа физиков под руководством Ханса Клапдор-Кляйнгротхауса из Гейдельбергского института ядерной физики им. Макса Планка в Германии. Ученые проанализировали массив данных, собранных в течение многолетнего совместного эксперимента «Гейдельберг – Москва» (в эксперименте использовались пять крупных сверхчистых кристаллов обогащенного германия, расположенных в подземной лаборатории Гран-Сассо), и сообщили, что у них действительно есть доказательства таких редких превращений. Однако другие исследователи, в том числе московские участники этой коллаборации, указали на недоработки в их анализе и усомнились, не является ли полученный результат обычной статистической флуктуацией. Хитоши Мураяма отметил, что «согласно большинству теорий, этот процесс не может идти так активно, как следует из этих результатов». С ним соглашается Гратта из Стэнфордского университета, один из ключевых представителей коллаборации EXO-200: «Большинство коллег сходятся во мнении, что безнейтринный двойной бета-распад пока наблюдать не удалось». Если каким-то чудом Клапдор-Кляйнгротхаус и его коллеги действительно не ошиблись с выводами, то их находка должна подтвердиться в других экспериментах в ближайшие несколько лет.

«Поскольку значение этих измерений сложно переоценить, представители научного сообщества считают, что для полной уверенности нам нужно несколько подтверждений, полученных на разных экспериментах», – считает Карстен Хеегер из Висконсинского университета в Мэдисоне, один из участников коллаборации CUORE. «Если действительно удастся обнаружить нечто подобное, то это будет великое событие», – добавляет он. Действительно, существует несколько причин, по которым открытие безнейтринного двойного бета-распада потрясет основы физики, астрономии и космологии. Во-первых, это открытие будет означать, что Майорана был прав и нейтрино действительно являются античастицами сами себе. Во-вторых, физики смогут непосредственно измерить абсолютную массу нейтрино, которую не удается определить на протяжении многих десятилетий. Астрономы узнают, обладают ли эти частицы достаточной массой, чтобы из них могли сформироваться первые сгустки материи в ранней Вселенной. В-третьих, такой распад будет свидетельствовать о несохранении лептонного числа, что, как подчеркивает Хеегер, «нарушает фундаментальную физическую симметрию и, следовательно, потребует в корне пересмотреть Стандартную модель». В-четвертых, космологи смогут понять, как в течение первых секунд после Большого взрыва сложилось подавляющее преобладание вещества над антивеществом. Учитывая все эти революционные перспективы, неудивительно, что охотники за нейтрино связывают большие надежды со вторым десятилетием XXI в.

Глава 8

Семена революции

Лето 2012 г. ознаменовалось одним из самых триумфальных открытий в истории физики. Два независимых эксперимента, проводившихся на Большом адронном коллайдере (БАК) в лаборатории CERN, убедительно доказали существование бозона Хиггса – одной из самых неуловимых субатомных частиц, когда-либо предсказанных физиками-теоретиками. Это открытие поставило точку в создании грандиозного свода правил – Стандартной модели физики частиц.

Но причудливые свойства нейтрино вполне могут обрушить это филигранное творение ученых – как минимум доказать его неполноту. Физики признают, что обнаружение массы у нейтрино, сколь бы малой она ни оказалась, требует уточнить Стандартную модель. Охотники за нейтрино уже ищут следы тех феноменов, которые могли бы привести к такому коренному пересмотру. Открывая все новые особенности природы нейтрино в процессе новейших тонких экспериментов, ученые не только расширяют наши представления о фундаментальных свойствах материи, но и все подробнее узнают, что же происходило в первые, важнейшие секунды после Большого взрыва и какие события разворачиваются во время прощального фейерверка, сопровождающего гибель звезды. В ходе этих опытов физики надеются использовать нейтрино, чтобы зондировать источники тепла, подогревающие Землю изнутри, искать залежи полезных ископаемых и даже препятствовать распространению ядерного оружия. Более того, предполагается, что все эти исследования не станут тяжким бременем для налогоплательщиков, которые в наше время являются основными спонсорами фундаментальной науки.

Поиски бозона Хиггса растянулись на несколько десятилетий и обошлись в несколько миллиардов долларов. Охота за этой частицей началась как довольно невинная затея: в начале 1960-х о ее существовании предположили шестеро физиков, работавших в трех независимых научных группах. По высказанной ими гипотезе, пространство пронизано невидимым силовым полем, благодаря которому некоторые элементарные частицы приобретают массу. Как это часто бывает в фундаментальной физике, данная версия сложилась на основе математических соображений о симметрии в природе. Гипотетическое силовое поле было названо «полем Хиггса» – в честь Питера Хиггса из Эдинбургского университета, одного из шести теоретиков, сформулировавших эту идею. Поле Хиггса является одной из основных составляющих Стандартной модели.

Чтобы непосредственно проверить существование поля Хиггса и определить его свойства, требовалось найти частицу, которая была бы связана с этим полем. В контексте квантовой механики бозон Хиггса можно понимать как вибрацию поля Хиггса. Если этого поля не существует, значит, нет и вибраций; соответственно, обнаружив частицу, можно было бы убедиться и в существовании самого этого поля. Чтобы создать в поле вибрацию, нужно добиться возмущения этого поля – подобно тому, как мы бросаем камень в воду и от него во все стороны расходятся круги. Ученые надеялись, что если сталкивать в ускорителе частицы очень высоких энергий, то в поле Хиггса возникнут достаточно сильные волны и удастся наблюдать бозон Хиггса. К сожалению, теория поля Хиггса не давала экспериментаторам почти никаких зацепок: она не указывала массу бозона Хиггса, поэтому физики и не могли предположить, какова должна быть энергия столкновений, чтобы эту частицу можно было зафиксировать. Некоторые ученые скептически полагали, что бозон Хиггса вряд ли вообще будет когда-нибудь обнаружен. Так, Стивен Хокинг поспорил на $100 с Гордоном Кейном из Мичиганского университета, что найти эту частицу не удастся (Кейн считал, что бозон Хиггса существует).

Обнаружение бозона Хиггса либо опровержение его существования было самой приоритетной задачей БАК – ускорителя частиц, на строительство которого ушло более десяти лет и почти $9 млрд. Над созданием ускорителя работали тысячи ученых и инженеров. Неудивительно, что, когда CERN объявил о конференции, запланированной на 4 июля 2012 г., многие предвкушали, что на этом мероприятии наконец-то будет объявлено об обнаружении неуловимой частицы. Сотни людей еще ночью начали выстраиваться в очередь, чтобы успеть занять место в аудитории. Журналисты писали, что атмосфера в лаборатории была как на рок-концерте. На конференции были представлены результаты двух экспериментов, поставленных на БАК, причем в обоих множествах данных просматривались хорошо заметные всплески над общим фоном. Эти всплески возникали, когда энергия столкновений достигала около 125 ГэВ (гигаэлектронвольт); то есть наблюдаемая частица была примерно в 130 раз массивнее протона. Исследователи практически не сомневались, что такие толчки свидетельствуют об открытии бозона Хиггса.

Питер Хиггс, которому на тот момент было уже за восемьдесят, был приглашен на конференцию в качестве почетного гостя; другими почетными гостями были еще два физика-теоретика, предсказавшие существование этой частицы. Присутствующие заметили, что Хиггс даже украдкой смахивал слезы радости. «Ждать пришлось действительно долго, – признавался он спустя пару дней на пресс-конференции в Эдинбурге, – сначала я и помыслить не мог, что доживу до этого открытия, ведь мы почти не представляли, какую массу может иметь эта частица и, соответственно, насколько мощные машины понадобятся, чтобы ее открыть». Стивен Хокинг расплатился с Гордоном Кейном. Как и многие другие физики, Хокинг согласился, что обнаружение бозона Хиггса стало важнейшей вехой в истории физики. Однако в интервью каналу Би-би-си он оговорился и об обратной стороне этого открытия: «Жаль, поскольку крупные прорывы в физике достигаются в экспериментах, дающих неожиданные результаты».

Детектор ATLAS. На нем был поставлен один из двух экспериментов БАК, подтвердивший существование бозона Хиггса (CERN)