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

За прошедшие годы тема нейтрино привлекала внимание самых выдающихся умов и неординарных личностей из мира теоретической физики. Среди наиболее крупных ученых, интересовавшихся этими частицами, был остроумный интеллектуал Вольфганг Паули, подчеркивавший на примере нейтрино, что современная физика переживает кризис. Был мятежный гений Этторе Майорана, строивший теории о «зеркальных близнецах» нейтрино; в возрасте 32 лет Майорана пропал без вести. Был убежденный социалист Бруно Понтекорво, указавший на возможность перехода одного типа нейтрино в другой; после войны Понтекорво эмигрировал в СССР, спровоцировав крупный скандал времен холодной войны. Некоторые охотники за нейтрино ставили эксперименты глубоко под землей, стремясь заглянуть в недра Солнца, другие устанавливали нейтринные ловушки рядом с мощными ядерными реакторами, чтобы зафиксировать, как нейтрино переходят из одной формы в другую. За последние два десятилетия страсть к нейтрино завладела многими и многими учеными, которые присоединились к этому увлекательному поиску.

Дело в том, что золотые времена охотников за нейтрино еще впереди. Возможно, эти призрачные частицы помогут нам раскрыть величайшие секреты Вселенной, подскажут, откуда берутся загадочные космические лучи, ежесекундно бомбардирующие Землю. Современные астрономы вынуждены работать только в видимом, радиоволновом и рентгеновском спектре электромагнитного излучения далеких небесных тел. Для них нейтрино буквально проливают свет на самые бурные природные явления. Во многом именно нейтрино вызывают грандиозные взрывы сверхновых. Некоторые ученые предполагают, что так называемая «темная материя», которая составляет около четверти всей массы Вселенной, но никак себя не обнаруживает за исключением гравитационного воздействия на видимые галактики, вполне может состоять из разнообразнейших видов нейтрино. В настоящее время микроволновые телескопы позволяют измерить едва заметное свечение, сохранившееся с момента Большого взрыва. Следы первозданных нейтрино позволяют лучше понять условия, которые сложились во Вселенной практически сразу после ее рождения.

Более того, возможно, что именно благодаря нейтрино во Вселенной вообще есть материя – то есть мы обязаны этим частицам самим своим существованием. Сразу после Большого взрыва высвободилось огромное количество энергии и стали во множестве возникать элементарные частицы и парные им античастицы. На тот момент плотность космического вещества была так высока, что эти пары должны были мгновенно образовываться и почти сразу же аннигилировать, оставляя после себя целое море излучения. Неминуемая катастрофа не наступила, поскольку материи во Вселенной образовалось чуть больше, чем антиматерии. Физики ломают голову над тем, почему возникла такая асимметрия. Одно из вероятных объяснений таково: в первозданной Вселенной сверхтяжелые элементарные аналоги нейтрино распадались таким образом, что на каждый миллиард пар «частица – античастица» приходилась одна избыточная частица – то есть вещество преобладало над антивеществом. Сегодня, измеряя едва уловимые свойства легких нейтрино, мы пытаемся определить, насколько реалистичен такой сценарий и действительно ли он мог обусловить столь крохотный перевес материи над антиматерией. Борис Кайзер подчеркивает: «Опять же, если бы не нейтрино, нас бы, наверное, просто не существовало».

Захватывающе, хотя и страшновато, рассуждать о перспективах физики, выходящей за пределы так называемой «Стандартной модели». Стандартная модель, сформулированная в начале 1970-х, описывает около двух десятков элементарных частиц и соответствующих им парных античастиц, три типа взаимодействий между ними, а также симметрию, определяющую эти взаимодействия. Это самое лучшее описание субатомного мира, которое на сегодняшний день у нас есть. За прошедшие десятилетия были проведены бесчисленные эксперименты, подтвердившие прогнозы Стандартной модели и ее исключительную точность. Сегодня в CERN работает Большой адронный коллайдер (БАК), уже ставший легендарным. Этот гигантский ускоритель частиц – самая мощная и дорогая научная машина современности – был сконструирован за немыслимую сумму $9 млрд практически с единственной целью: отловить последнюю недостающую частицу, которая подтвердила бы полноту Стандартной модели. В БАК действительно удалось получить бозон Хиггса – ранее гипотетическую частицу, благодаря которой, согласно Стандартной модели, все остальные элементарные частицы обладают массой[5]. Стандартная модель, однако, предполагает, что нейтрино не имеют массы, существуют в трех разновидностях (так называемых «ароматах») и не могут менять форму. Тем не менее уже известно, что нейтрино обладают массой (пусть крошечной, но не нулевой), а также способны плавно менять аромат. Изящная структура Стандартной модели дала трещину. Если удастся доказать, что на самом деле существует более трех ароматов нейтрино – а некоторые данные уже позволяют сделать такое предположение, – то будут потрясены самые основы современной физики. Вот что говорит об этом Кейт Скулберг из Университета Дюка: «Мы стоим на пороге открытия новой физической картины мира. Нам уже не терпится познакомиться с ее сюрпризами». Она отмечает, что «нейтрино открывают перед нами целый комплекс новых феноменов, которые мы можем исследовать для более точного понимания природы Вселенной».

Нейтрино играют ведущую роль во множестве событий, которые сегодня разворачиваются в физике, космологии, астрономии. Неудивительно, что ученые не покладая рук охотятся за этими крошечными частицами. За последние 20 лет в разных уголках земного шара были поставлены нетривиальные эксперименты, связанные с изучением нейтрино. Охота на нейтрино разыгрывалась и в глубокой никелевой шахте в провинции Онтарио, и в туннеле, насквозь пронизывающем горный массив в центральной Италии, и на свалке ядерных отходов в штате Нью-Мексико, и в бухте Южно-Китайского моря.

Самой неординарной ловушкой для нейтрино остается комплекс «Ледяной куб» – крупнейший в мире нейтринный телескоп, на строительство которого было потрачено около $270 млн. Запуск обсерватории воплотил мечты, которые всю жизнь лелеял талантливый ученый Френсис Хальцен, вставший во главе этого проекта.

Хальцен вырос в Бельгии и в молодости мечтал стать школьным учителем. Однако в университете он всерьез увлекся физикой и полностью посвятил себя науке. Проработав несколько лет в CERN, Хальцен перебрался в Висконсинский университет Мэдисона, где около 40 лет занимал должность профессора. Занимаясь теоретической физикой, Хальцен сначала исследовал некоторые проблемы квантовой механики, но в середине 1980-х заинтересовался нейтрино. О том, что в Антарктике все активнее ведутся исследования, связанные с нейтрино, Хальцену поведали коллеги из Канзасского университета, когда он выступал там с лекцией. Хальцен узнал, что советские ученые, работающие на одной из полярных станций, пытаются фиксировать электрические вспышки, возникающие в результате столкновения космических нейтрино с полярным льдом; для чего используют радиоантенны. Хальцен счел подобный эксперимент очень интересным и, заручившись помощью двоих сотрудников, взялся рассчитать, насколько сильными могут быть такие сигналы. Результаты оказались неутешительными: выяснилось, что радиоимпульсы от большинства таких «толчков» слишком слабы, чтобы их зафиксировать. Группа Хальцена пришла к выводу, что советские эксперименты обречены на провал. Они решили, что скорее имеет смысл фиксировать вспышки света во льду, свидетельствующие о пролете нейтрино. Сам же Хальцен был убежден, что если разместить систему светочувствительных датчиков в толще антарктического льда, то такая установка будет отлично улавливать нейтрино, прилетающие из глубин космоса.

Хальцен загорелся идеей соорудить в Антарктиде совершенно новый нейтринный телескоп. Он связался по электронной почте с несколькими коллегами-физиками и поинтересовался, что они думают о подобном проекте. Среди тех, кто получил письмо Хальцена, был и Джон Лирнид, сотрудник Гавайского университета. Лирнид происходит из старинного новоанглийского рода, среди его предков был, в частности, один из генералов, участвовавших в Войне за независимость США. Детство Лирнида прошло на острове Статен-Айленд близ Нью-Йорка, лето он проводил на севере штата Нью-Йорк, у бабушки и дедушки. Как вспоминает сам Лирнид, ему нравилось чувствовать себя чужаком в обоих этих мирах: «В деревне меня считали городским, в городе – деревенским». В старших классах Джон трудился в школьной газете, а также работал на метеорологической станции, установленной прямо на крыше школы. Лирнид вспоминает, как однажды вызвался организовать передвижную естественно-научную выставку, «потому что это была отличная отмазка, чтобы не сидеть в классе». Позже, будучи студентом Бруклинской средней технической школы, Лирнид посещал множество практических курсов, которые помогли ему поднатореть в экспериментальной физике. Он продолжил обучение в аспирантуре Вашингтонского университета, где исследовал перспективы изучения в подводных установках космических лучей и составляющих их частиц. Лирнид сконструировал баркас, поставил его на якорь посреди озера Челан и погрузил детекторы частиц в глубокую чистую воду.