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

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)

С тех пор как было впервые объявлено об открытии бозона Хиггса, на БАК удалось получить и новые результаты, развеявшие всякие сомнения в существовании этой частицы. Ученые тщательно исследуют все данные, которые могут свидетельствовать о малейших аномалиях и, соответственно, подвести нас к открытию еще не известных феноменов. Так, не исключено, что существует не одна, а несколько разновидностей частицы Хиггса. Правда, как жаловался Хокинг, пусть обнаружение бозона Хиггса в определенном смысле и является кульминацией долгого, напряженного и захватывающего пути, оно не открывает нам новых горизонтов, так как, в сущности, просто подтверждает теоретические прогнозы. Стивен Вайнберг из Техасского университета в Остине, один из создателей Стандартной модели, выразился так: «Бозон Хиггса – последний недостающий элемент Стандартной модели, однако он не позволяет нам выйти за ее пределы».

Именно поэтому все больше физиков вновь обращаются к исследованию неуловимых нейтрино, поскольку эти частицы могут вывести нас к новой физике, за пределы уже исследованной физической реальности. Например, Стандартная модель в исходной формулировке предполагает, что нейтрино не имеют массы. Следовательно, как мы уже обсуждали в главе 5, было удивительно узнать, что нейтрино могут менять аромат, так как для этого они должны обладать очень малой, но ненулевой массой. Рассуждая о массе нейтрино, Вайнберг сказал: «Это единственный известный факт из физики элементарных частиц, указывающий, что физика не ограничивается Стандартной моделью. Но эту подсказку мы пока не в силах интерпретировать».

Георг Раффельт из Института физики им. Макса Планка в Мюнхене вторит Вайнбергу: «Физики-теоретики полагали, что нулевая масса нейтрино – это очевидный факт. Природа нас обставила». Он поделился со мной этими мыслями, когда мы обсуждали физику, выходящую за рамки Стандартной модели.

«Открытие того, что нейтрино могут осциллировать и менять аромат, поистине дает нам новые перспективы, новое направление исследований», – добавляет Вайнберг. Во многом именно по этой причине физика нейтрино, в которой лет двадцать назад царило глубокое затишье (лишь некоторые ученые продолжали работать в этой области), сейчас переживает новый бурный расцвет. Сегодня исследованием этих призрачных частиц заняты более тысячи ученых.

Физики очертили пределы, в которых может находиться масса нейтрино, но еще не измерили ее. По имеющимся данным, нейтрино должны быть как минимум в миллион раз легче электронов. По мнению Андре Де Говея из Северо-Западного университета в Чикаго, сам этот факт загадочен в контексте Стандартной модели. Де Говея отмечает: «Ноль можно было бы понять, но эти частицы все-таки обладают минимальной массой – вот что удивительно». Физики-теоретики уже заняты разработкой дополнения для Стандартной модели, так называемого «механизма качелей», который, возможно, позволит объяснить, почему масса нейтрино настолько меньше массы других элементарных частиц. Но чтобы этот механизм сработал, у знакомых нам легких нейтрино должны быть массивные аналоги. Вполне возможно, что такие гигантские аналоги нейтрино образовались сразу же после Большого взрыва и существовали какое-то время, когда Вселенная была гораздо жарче и гуще, чем сейчас. Однако, скорее всего, такие антинейтрино быстро распались на другие элементарные частицы.

Хотя мы пока и не можем экспериментально проверить гипотезу о существовании тяжелых антинейтрино, физики надеются, что в течение ближайшего десятилетия удастся точно определить массу легких нейтрино. В Германии проводится эксперимент под названием KATRIN (Тритиевый нейтринный эксперимент в Карлсруэ), призванный решить эту задачу путем тщательного исследования бета-распада – кстати, именно при изучении бета-распада Вольфганг Паули когда-то догадался о существовании нейтрино. Огромный спектрометр, используемый в эксперименте KATRIN, будет измерять энергии электронов, высвобождающихся при бета-распаде атома трития (это тяжелый изотоп водорода, в ядре которого содержится два нейтрона и протон). На основании этих данных ученые попытаются вывести массу антинейтрино, которые пока остаются неуловимыми[38].

После того как инженеры собрали 200-тонный спектрометр для эксперимента KATRIN (работа велась на заводе, расположенном в 400 км от Карлсруэ – места проведения эксперимента), они столкнулись с неожиданным препятствием: оказалось, что аппарат был слишком велик для перевозки по узким дорогам, проложенным поблизости от завода. Пришлось погрузить спектрометр на баржу и отправить его по Дунаю через всю Австрию, Венгрию, Сербию и Румынию. Там аппарат перенесли на судно, которое переправило его через Черное и Эгейское море. К тому моменту, как груз прибыл в Сицилию, он остался без защитного покрытия – его сдуло во время шторма. В сицилийском порту рабочие погрузили аппарат на специальное тяжеловесное судно, которое повезло спектрометр дальше: через Средиземное море, Гибралтарский пролив, вдоль берегов Испании и Франции к устью Рейна. Поскольку уровень воды в Рейне оказался слишком низок, судно не смогло войти в устье, и рабочим пришлось перегрузить спектрометр на понтон, чтобы преодолеть следующий этап пути.

Главный спектрометр эксперимента KATRIN прибывает в деревушку Леопольдсхафен близ Карлсруэ в юго-западной Германии, проделав путь более чем 9000 км (Karlsruhe Institute of Technology)

Позже устройство было при помощи подъемного крана перегружено с понтона на грузовик, который и доставил спектрометр в местечко Леопольдсхафен, где его встречали с настоящей помпой. Так спектрометр проделал длинный окольный путь, составивший более 9000 км и продолжавшийся два месяца. Ожидается, что эксперимент KATRIN будет запущен, когда инженеры закончат сборку и испытание оборудования.

Всплеск интереса к нейтрино, наблюдаемый в настоящее время, объясняется и еще одной причиной: эти частицы играют важнейшую роль для сближения нескольких самостоятельных научных дисциплин. Нейтрино не только могут значительно продвинуть развитие фундаментальной физики и не только подсказывают, что физические теории не ограничиваются Стандартной моделью; эти частицы крайне важны и для космологии. Они могут дать ответ на вопрос, почему во Вселенной вещества несопоставимо больше, чем антивещества (об этом мы говорили в предыдущей главе), а также помогают нам понять механизмы роста колоссальных космических структур – в частности, скоплений галактик. На самом деле одна из наиболее точных оценок предельной массы нейтрино была получена так: ученые сравнили распределение галактик в космосе и структуру той «ряби» в пространстве, которая является дальним отголоском Большого взрыва; научное название этой «ряби» – «космическое микроволновое фоновое излучение». По словам Лусии Верде из Барселонского университета в Испании, планируемые исследования звездного неба – самый перспективный фронт работ для точного определения массы нейтрино. «Если общая масса одного нейтрино составляет менее 0,2 электронвольт… то ни один из планируемых нейтринных экспериментов не позволит определить эту массу модельно-независимым образом», – объясняет она. Поэтому, возможно, для решения задачи потребуется не полагаться на наземные эксперименты, а взглянуть в небеса. Верде отмечает, что «космологические исследования обладают достаточной статистической силой, чтобы обнаружить в небе эффекты воздействия нейтринной массы, даже если она близка к минимуму, допускаемому осцилляциями».