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

Более точные эксперименты позволят ученым подробнее изучить состав основных земных пород и проверить различные сценарии их формирования. Кроме того, физики надеются узнать, какую роль тепловая энергия радиоактивного распада играет в тектонике плит (и играет ли вообще). Тектоника плит – это медленное движение крупных фрагментов земной коры, в результате которого формируются очертания континентов и образуются горные хребты. Георг Раффельт отмечает: «Благодаря буровым скважинам, землетрясениям и вулканам мы получаем сведения о поверхностных слоях земной коры, но нейтрино позволят нам заглянуть гораздо глубже. Они подскажут, правильно ли мы понимаем структуру Земли».

Готовится запуск детектора геонейтрино в нейтринной обсерватории Садбери на севере канадской провинции Онтарио. Эта установка, называемая SNO+, будет самой глубокой в мире, расположенной более чем в 2 км под землей, и в настоящий момент – самой чувствительной. Огромная глубина позволяет минимизировать помехи, возникающие из-за прилетающих на Землю космических лучей и осложняющие поиск нейтрино. Кроме того, SNO+ находится вдали от каких-либо атомных электростанций, поэтому, в отличие от KamLAND, в этой лаборатории не приходится отсеивать потоки реакторных нейтрино, перекрывающие и без того едва уловимый геонейтринный сигнал. Планируется создание и других детекторов, в частности, Low-Energy Neutrino Astronomy – LENA (Низкоэнергетическая нейтринная астрономия)[40] в Европе и India-based Neutrino Observatory, INO (Индийская нейтринная обсерватория). Эти научные комплексы также подключатся к ловле геонейтрино. Кроме того, Джон Лирнид из Гавайского университета продвигает идею создания антинейтринной обсерватории на дне Тихого океана. Такая обсерватория, выстроенная на тонкой океанической коре, сможет точнее материковых детекторов измерить вклад мантии в общий тепловой баланс Земли. Согласно современным теориям, уран и торий распределены в мантии практически равномерно, но Лирнид в этом сомневается. Например, отмечает он, эти элементы могут быть сконцентрированы на границе между земной корой и мантией. Данные, полученные из разных уголков земного шара, позволят геофизикам картировать распространение этих элементов, чтобы лучше понять природу земной радиоактивности.

Некоторые физики стремятся даже к более амбициозным целям. Поскольку осцилляции нейтрино заметно отличаются в зависимости от плотности пород, через которые пролегает путь частицы, исследователи планируют направлять пучки нейтрино из одной точки земной коры в другую и таким образом зондировать структуру коры. Если бы удалось использовать мощные пучки нейтрино, генерируемые в ускорителях и высокочувствительных детекторах, то можно было бы фактически просканировать всю земную кору и найти большие полости, заполненные водой или залежами минералов. По схожему принципу делаются стоматологические рентгеновские снимки. Возможно, такая технология даже позволит обнаружить нефтеносные геологические формации, что, конечно же, будет интересно нефтедобывающим компаниям. Однако для реализации такого механизма требуются нейтринные пучки в тысячи раз более мощные, чем создаются в современных ускорителях частиц. Поэтому пока разведка нефтяных месторождений при помощи нейтринных пучков практически нереализуема.

Тем временем охотники за нейтрино, проявив восхитительную научную интуицию, случайно помогли морским биологам, изучающим глубоководную фауну. Необычный альянс возник неспроста: оказалось, что шум, который казался физикам досадной помехой, для биологов был ценным сигналом. В 2005 г. итальянские физики занимались постройкой Средиземноморской нейтринной обсерватории (NEMO) на шельфе Сицилии и обдумывали, как можно было бы целенаправленно «слушать» частицы, а не просто фиксировать бледные вспышки, возникающие при случайных соударениях нейтрино с молекулами воды. Они опирались на теоретические расчеты, согласно которым высокоэнергетические нейтрино, взаимодействующие с молекулой, должны порождать едва заметную акустическую волну. Поскольку под водой звук перемещается дальше, чем свет, для более эффективного обнаружения нейтрино стоило попробовать развернуть акустические детекторы. На самом деле ученые признают, что чувствительные звуковые детекторы могут уловить характерный «хлопок», издаваемый нейтрино, на расстоянии нескольких километров. Самое сложное, разумеется, – различить этот хлопок на окружающем звуковом фоне.

Физики из обсерватории NEMO понятия не имели, какие звуки будут преобладать в царстве Нептуна, в 1,5–2 км от поверхности Средиземного моря. Морские биологи предполагали, что на такой глубине вряд ли будет тихо, но им не хватало информации для более конкретного прогноза. Поэтому они были рады принять от физиков любую помощь, которая позволила бы прояснить ситуацию. В начале 2005 г. две группы ученых установили четыре сверхчувствительных гидрофона (микрофона для работы под водой) на испытательной площадке обсерватории NEMO. Устройства были подключены к кабелю, который ретранслировал данные на компьютер, установленный на близлежащем пирсе. Неудивительно, что гидрофоны записали фоновый шум от естественного волнения воды и движения судов. Иногда в записи прослушивались громкие всплески, вызываемые гребными винтами больших кораблей. Но ученые обратили внимание на специфические щелчки – эти звуки издавали кашалоты, прогонявшие сжатый воздух через свои носовые полости. Такие щелчки – одни из самых громких звуков, которые способны издавать животные. Вероятно, с их помощью кашалоты зондируют морские глубины и отыскивают добычу – примерно по такому же принципу летучие мыши используют эхолокацию при ориентировании. Ученые также слушали последовательности щелчков (такая последовательность называется «кода»), при помощи которых киты общаются друг с другом.

Прослушав сотни записей, биологи пришли к выводу, что кашалоты встречаются в Средиземном море гораздо чаще, чем можно было судить по предыдущим исследованиям, проводившимся на меньших глубинах. Теперь ученые хотят использовать глубоководные акустические системы, чтобы отслеживать численность и перемещения китообразных с течением времени. Биологи планируют выяснить, мигрируют ли киты из Атлантического океана в Средиземное море и обратно, есть ли у таких путешествий сезонная цикличность. Более того, благодаря результатам первых исследований акустическое оборудование было развернуто еще в нескольких точках на морском дне по всему миру[41]. В частности, следует упомянуть подводный нейтринный телескоп ANTARES, установленный поблизости от побережья Франции[42].

Пока не ясно, смогут ли физики обнаружить нейтрино при помощи акустических приборов. Но уже планируется постройка подводной нейтринной обсерватории нового поколения KM3NeT, в которой будет установлена целая система гидрофонов. Гидрофоны помогут позиционировать оптические детекторы, а также пригодятся биологам, собирающимся изучать не только кашалотов, но и финвалов, и клюворылов – на огромных глубинах. Тем временем ученые из обсерватории NEMO совершили еще одно удивительное открытие: они обнаружили цепочки глубинных водоворотов, которые никто не ожидал встретить в закрытом Средиземноморском бассейне. Теперь ученые пытаются определить, сформировались ли эти водовороты именно в Средиземном море либо «приплыли» издалека, преодолев сотни километров. Нейтрино, которые в свое время интересовали только физиков-теоретиков, сегодня могут совершенно неожиданным образом приоткрыть для нас тайны подводного мира.

В обозримом будущем охотники за нейтрино смогут внести свой вклад даже в борьбу за мир. При помощи нейтрино можно выслеживать операторов нелегальных ядерных реакторов, ловить контрабандистов, приторговывающих плутонием, и даже остановить тех, кто попытается собрать самодельную атомную бомбу. В настоящее время ученые исследуют перспективы использования нейтринных детекторов для предотвращения распространения ядерного оружия. В таком контексте Георг Раффельт подчеркивает: «Возможно, даже для такой экзотической частицы, как нейтрино, найдется практическое применение». Ядерные реакторы, используемые для производства электроэнергии, – это потенциальный источник оружейного плутония, который со временем накапливается в реакторе – по мере того, как происходит деление ядер урана и уран распадается на более тяжелые элементы. МАГАТЭ стремится помешать распространению ядерного оружия и для этого наблюдает за реакторами, используемыми в энергетике. Периодически инспекторы агентства сравнивают регистрационные записи, сделанные операторами реакторов, с собственными данными, чтобы проверить, не ведется ли на станции какой-нибудь подозрительной деятельности – например, не слишком ли часто останавливают реактор для замены топливных элементов. Современные инструменты для такого мониторинга требуют доступа к коммуникациям реактора – например, для отслеживания того, сколько хладагента было израсходовано. Но такое оборудование неудобно, недешево, а его данные легко подделать.