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

К счастью, те самые реакции, в ходе которых из урана образуется плутоний, дают и побочный продукт: антинейтрино. Эти антинейтрино – средство для непосредственного измерения параметров ядерных реакций в реальном времени – просто находка для международных наблюдателей. Раффельт говорит: «Антинейтрино не врут». Не существует способа удержать эти частицы в реакторе и скрыть связанную с ним незаконную деятельность, если рядом с реактором установлен детектор нейтрино. На обычных АЭС топливные элементы эксплуатируются непрерывно, до тех пор, пока радиоактивного горючего в них не останется, – как правило, срок службы такого элемента составляет около полутора лет. По прошествии этого периода, когда ядерного топлива на АЭС становится меньше, уровень вырабатываемой энергии (а также поток нейтрино) медленно иссякает по естественным причинам. Но если кто-то очень хочет запастись плутонием, то реактор нужно будет останавливать как минимум на сутки один раз в несколько недель, чтобы поменять элементы. «Топливные стержни должны прожариться в течение строго определенного времени, чтобы в них образовался плутоний, – поясняет Джон Лирнид, – поэтому если найдется реактор, который останавливают раз в месяц, то можно быть уверенным, что там изготовляют начинку для бомб».

Теоретически измерение количества антинейтрино, испускаемых реактором, позволило бы тщательно следить за эксплуатацией этого реактора. Но на практике возникают определенные осложнения. В частности, сложно сконструировать детектор нейтрино, который был бы компактен и при этом достаточно точен. Другая проблема – экранировать такой детектор от блуждающих частиц, например от космических лучей. Кроме того, как объясняет Лирнид, «операторы промышленных атомных электростанций не желают, чтобы яйцеголовые физики шатались по их предприятиям. Кто знает, чего они там натворят!». Тем не менее ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе и из Сандийских национальных лабораторий протестировали прототип такого устройства на АЭС в Южной Калифорнии. Этот прибор размером примерно с холодильник содержал почти 600 кг нефтяного масла. Детектор, установленный в 10 м под землей, позволил измерить поток нейтрино, идущих от близлежащего реактора, и определить генерируемую мощность этого реактора с точностью до долей процента. Прибор позволил узнать даже те часы, в которые реактор был выключен.

Конечно, результаты этого испытания выглядят многообещающими, но они же демонстрируют и недостатки предложенной технологии. Во-первых, нейтринные детекторы на нефтяных маслах очень сложно устанавливать. Поэтому исследователи из нескольких стран – в том числе Бразилии, Канады, Франции и США – экспериментируют с детекторами, где вместо нефтяных масел применяются вода или пластик[43]. Кроме того, не под каждой атомной станцией можно установить детектор. Однако при большой мощности ректора это не является проблемой. Если детектор расположен достаточно близко от реактора, то поток нейтрино будет заметен гораздо лучше любых фоновых «помех», вызываемых космическими лучами. Некоторые ученые ожидают, что компактные и надежные детекторы антинейтрино уже в ближайшей перспективе будут устанавливаться на АЭС, чтобы гарантировать соответствие эксплуатации этих станций нормам МАГАТЭ. Операторы АЭС даже могут извлечь из этого экономическую пользу: усовершенствовать свои реакторы, корректируя их работу по результатам отслеживания потока нейтрино в реальном времени. В случае аварии или нештатной ситуации нейтринный детектор сможет инициировать экстренную остановку реактора.

Другие ученые мыслят еще более масштабно, полагая, что их работа может быть интересна службам разведки и национальной безопасности. Изучаются возможности не только следить на расстоянии за известными атомными станциями, но и выявлять тайные реакторы, существование которых скрывается от МАГАТЭ. Действительно, мощные реакторы скрыть довольно сложно – поскольку они излучают достаточно много тепла, их не составляет труда засечь со спутника. Наблюдатели наиболее обеспокоены станциями среднего размера, находящимися на территории стран-изгоев. Подобные реакторы гораздо легче спрятать, но на них образуется достаточно плутония, чтобы делать по атомной бомбе в год.

Лирнид указывает, что, исходя из ориентировочных расчетов, новые технологии позволят дистанционно обнаруживать ядерные реакторы. «Разумеется, чем дальше вы находитесь, тем более крупный детектор вам понадобится». Такое устройство должно находиться в нейтральных водах и отслеживать, нет ли в опасной стране нелегальных ядерных реакторов. Лирнид даже планировал купить старую русскую подводную лодку, чтобы экспериментально проверить такую идею. В аналогичном направлении работает и группа из Французской комиссии по альтернативной и атомной энергии во главе с Тьерри Ласером. Французские ученые предлагают переоборудовать мощный нефтяной танкер в гигантский детектор антинейтрино и с его помощью отыскивать нелегальные атомные станции. Они выбрали для своего проекта название, достойное шпионского романа: SNIF (Секретный искатель нейтринных взаимодействий). Пока оба эти проекта далеки от реализации, учитывая чудовищные технологические и политические препятствия, с которыми придется столкнуться. Тем не менее они, вероятно, заслуживают дальнейшей проработки.

Возможно, в будущем детекторы нейтрино также помогут обнаруживать тайные испытания атомных бомб. Современные технологии такого обнаружения связаны с фиксацией сейсмических толчков, возникающих при взрыве. «Но эти приборы не позволили опознать несколько взрывов, а также дали множество ложных тревог – то есть обычные сейсмические толчки были приняты за отголоски ядерных взрывов», – поясняет Лирнид. Более того, если при испытании использовать амортизирующие материалы, а также менять размеры полости для закладки заряда, то выяснить точные параметры взрыва будет достаточно сложно. «Если мы обнаружим хотя бы один нейтрино, то это уже скажет нам о многом. Если время его регистрации точно совпадает с сейсмическим толчком, то можно констатировать, что это действительно был ядерный взрыв, – продолжает Лирнид. – Если измерить свойства 10 нейтрино, то мы сможем вполне точно определить магнитуду взрыва». Лирнид полагает, что сеть больших детекторов нейтрино, раскинутая по всему миру, позволила бы лучше отслеживать ядерные испытания. Он выступает за двойное использование нейтринных обсерваторий, где можно было бы одновременно заниматься и фундаментальной наукой, и разведкой. «Конечно же, меня по-настоящему привлекают именно научные возможности таких больших детекторов», – признается он.

Существуют и довольно зыбкие идеи практического применения нейтрино. В частности, можно попытаться использовать их для связи на больших расстояниях – ведь эти частицы беспрепятственно проходят практически через что угодно. Можно представить себе, как мы посылаем нейтринный луч с закодированным сообщением из одной точки в другую прямо через земной шар. Радиосигналу в таком случае потребовалось пройти множество спутников – ретрансляторов либо его пришлось бы передавать по трансокеаническим кабелям, опутывающим весь земной шар. Другой ученый в том же духе предложил использовать пучки нейтрино для трансляции сообщений на подводные лодки, идущие на большой глубине. Однако, чтобы такая технология имела шансы на успех, луч нейтрино должен быть в миллион раз сильнее, чем пучки, применяемые в современных экспериментах. Принять такой сигнал на стороне получателя – также крайне нетривиальная задача.

Тем не менее группа физиков уже провела первые опыты по налаживанию нейтринной коммуникации. Физики сгенерировали в лаборатории Fermilab нейтринный луч и стали бомбардировать пучками частиц гигантский подземный детектор, расположенный примерно в километре от лаборатории. Команда записала слово «neutrino» в стандартном двоичном коде, который преобразует символы в последовательности нулей и единиц. Детектор-приемник успешно зарегистрировал это простое сообщение, хотя оно и прошло через километр сплошного камня. Частота сообщения составляла жалкие 0,1 бит в секунду, и на передачу восьми символов ушло более двух часов. Как написали исследователи, «полученный результат доказывает осуществимость такой передачи данных, но в то же время свидетельствует о необходимости значительной доработки нейтринных пучков и детекторов, чтобы их можно было использовать на практике». Иными словами, не стоит в ближайшем будущем ожидать появления нейтринных телефонов – тем более нейтринных мобильников.

Суровая реальность не смущает других ученых, продолжающих создавать еще более экзотические проекты. Один исследователь предложил связать финансовые центры в разных частях света, занятые высокочастотным трейдингом, при помощи закодированных нейтринных лучей, пронизывающих Землю насквозь, по кратчайшему пути. Такой способ связи позволит трейдерам выигрывать до нескольких десятков миллисекунд на каждой сделке. Джон Лирнид, а также его коллеги Сандип Пакваса из Гавайского университета и Энтони Зи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре предлагают посылать нейтринные сигналы в космос для поиска внеземной жизни. Поскольку нейтрино летят через пространство, практически не встречая сопротивления, сторонники такого проекта считают, что эти частицы могли бы стать отличным средством связи между разумными цивилизациями.