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

Хальцен признается, что испытал «огромное облегчение», когда работы были завершены в декабре 2010 г. «Теперь, когда “Ледяной куб” готов, мы начинаем забывать, насколько рискованной и нетривиальной была эта затея. Я даже составил список всех этапов, на которых мне казалось, что проект вот-вот сорвется», – добавляет он. Работа велась на лютом холоде, на большой высоте (свыше 3000 м над уровнем моря) и в ужасающей изоляции – в таких условиях все риски чрезвычайно возрастали. Однажды в ходе строительства рабочий нечаянно ухватился за шланг, свешивающийся с бурильной вышки, и упал спиной на монолитный лед, когда этот шланг взмыл вверх. Пострадавшего потребовалось срочно доставить в Новую Зеландию для экстренного лечения, на полное восстановление потребовалось более месяца.

Стальной кабель опускается в толщу антарктического льда

(M. Krasberg/NSF)

Но тот риск, на который пошли Хальцен с коллегами, – строительство «Ледяного куба» – уже с лихвой себя оправдал. За первые два года эксплуатации обсерватории удалось зафиксировать два необычных нейтринных сигнала, обладавших беспрецедентно высокими энергиями. В 2012 г. на конференции, состоявшейся в Киото, выступил Ая Исихара – участник проекта «Ледяной куб», сотрудник японского университета Тиба. Исихара сообщил о двух этих «ПэВ-событиях», названных так потому, что они сопровождались выделением энергии порядка петаэлектронвольт (то есть квадриллион электронвольт). Этот показатель примерно в миллион раз превышает энергию массы протона. Такие невероятные величины поразили многих астрофизиков. Вот что сказал по этому поводу Спенсер Клейн, сотрудник Национальной лаборатории им. Лоуренса из города Беркли: «Энергия этих нейтрино в тысячи раз превышает ту, которую нам когда-либо удавалось сообщить нейтрино в наших ускорителях частиц».

Сначала исследователи решили проверить, не могут ли такие ПэВ-нейтрино возникать в результате столкновения высокоэнергетических космических лучей с атомами азота и кислорода земной атмосферы. По результатам дальнейших наблюдений и анализа эта гипотеза была отвергнута. Хальцен говорит: «По всей вероятности, эти явления не связаны с атмосферой – вот что самое интересное». Иными словами, чтобы разгадать природу этих бурных всплесков энергии, мы должны обратить внимание на очень далекие небесные тела. Исследователи полагают, что такие нейтрино могут быть отголосками мощных выбросов, извергаемых колоссальными черными дырами, что расположены в центрах галактик. Другое возможное объяснение – грандиозные взрывы, сопровождаемые мощными гамма-всплесками. Возможно, при таких событиях высвобождается даже больше энергии, чем при взрывах сверхновых.

Нейтринная обсерватория «Ледяной куб» в лунном свете

(E. Jacobi/NSF)

За последние два десятилетия астрономы подтвердили, что в центрах многих галактик – в том числе Млечного Пути – таятся гигантские черные дыры. От полюсов галактики к центру тянутся мощные потоки энергии. Ученые полагают, что такие потоки возникают именно под действием черных дыр, которые притягивают к себе вещество с периферии, а затем силой своих магнитных полей извергают часть этого вещества обратно в межзвездное пространство. Частицы, наполняющие эти потоки, развивают субсветовые скорости. Поэтому вполне возможно, что в таких потоках возможно присутствие высокоэнергетических нейтрино, вроде тех, что были зафиксированы в «Ледяном кубе». Исследователи полагают, что гамма-всплески могут знаменовать гибель самых массивных звезд, будучи при этом еще одним источником высокоэнергетических нейтрино. Такие всплески гамма-излучения были случайно открыты в конце 1960-х со спутников, разработанных для отслеживания гамма-излучения (которое могло возникать в результате секретных космических ядерных испытаний). Впоследствии гамма-всплески озадачили ученых на целые десятилетия. Последние исследования позволяют предположить, что гамма-всплески состоят из узких (остронаправленных) пучков очень быстрых частиц, испускаемых при гибели массивных звезд, впоследствии превращающихся в черные дыры или нейтронные звезды. Как бы то ни было, в «Ледяной куб», очевидно, попали частицы, прибывшие прямо с места подобных событий. Возможно, эти стремительные нейтрино помогут нам лучше понять одно из наиболее впечатляющих явлений природы.

«Ледяной куб» – самая экзотическая нейтринная лаборатория нового поколения, обладающая беспрецедентной чувствительностью к этим частицам. Некоторые подобные установки – сам «Ледяной куб», а также еще более грандиозная сеть уловителей, которая сейчас конструируется на дне Средиземного моря, – спроектированы специально для отслеживания нейтрино, прилетающих из глубокого космоса или образующихся при столкновении космических лучей с земной атмосферой[7]. Существуют и нейтринные установки другого рода: например, в толще гор Икенояма в шахте Намиока в Японии установлен огромный детектор, сравнимый по размерам с собором[8]. Еще одна подобная установка, которая весит не меньше чем 5000 автомобилей, сокрыта в шахте на территории штата Миннесота. Этот уловитель измеряет потоки нейтрино, генерируемые ускорителями частиц, находящимися в сотнях километрах от Миннесоты. Наконец, следует упомянуть и об экспериментах третьего типа, которые ведутся, например, во французском местечке Шо и в бухте Дайя Бэй у берегов Китая. Здесь изучаются нейтрино, образующиеся при работе атомных электростанций.

Итак, все эти научные комплексы образуют внушительный арсенал современных охотников за нейтрино. Реализация этих проектов свидетельствует, что погоня за нейтрино, когда-то остававшаяся на периферии физической науки, сегодня вызывает всеобщий интерес. В следующих главах мы подробнее познакомимся с этими захватывающими исследованиями, а также проследим все их изумительные перипетии. Мы отправимся в дивную новую эпоху, которая, возможно, откроет нам величайшие тайны, касающиеся как мегамира, так и микромира. Не исключено, что эти знания заставят нас пересмотреть излюбленные современные теории о природе вещей. По ходу повествования мы познакомимся с людьми, посвятившими всю жизнь погоне за самой неуловимой из элементарных частиц. На страницах этой книги вы узнаете и о первых физиках-теоретиках, чьи базовые работы подвели науку к признанию самого факта существования нейтрино, и о современных экспериментаторах, стремящихся понять причудливые свойства этой частицы. Кроме того, мы вкратце обсудим героические начинания этих ученых и их удивительные жизненные пути.

Первая треть XX в. была для физиков просто головокружительной эпохой. Мир стоял на пороге целых двух физических революций. Первая зарождалась на макрокосмическом уровне: специальная и общая теории относительности заставили человечество принципиально переосмыслить все, что было ранее известно о пространстве, времени, движении и гравитации. На уровне субатомного мира бурно развивалась новоиспеченная теория квантовой механики, открывавшая перед учеными причудливый мир, полный поразительных феноменов, где неопределенность правит бал, а парадоксы встречаются на каждом шагу.

Легендарный Альберт Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности в 1905 г., когда ему было всего 26 лет. В те времена он работал простым клерком в швейцарском патентном бюро. Нельзя сказать, что в основе этой теории лежали совершенно новаторские идеи: еще тремя веками ранее Галилей отмечал, что все движение относительно и состояния абсолютного покоя не существует. Именно поэтому, если корабль плывет с равномерной скоростью, то все физические тела у него на борту претерпевают такие же физические воздействия, как если бы корабль стоял на причале. Кроме того, этот принцип объясняет, почему нас не сдувает с поверхности Земли из-за того, что она вращается. Но Эйнштейн радикально расширил эту галилеевскую концепцию, предположив, что ход времени относителен, а скорость света – постоянна. Согласно теории Эйнштейна, свет в вакууме всегда перемещается с одинаковой скоростью, даже если бы вы попытались ее измерить, пролетая мимо источника света со субсветовой скоростью. С математической точки зрения ситуация именно такова, однако на уровне обыденного опыта она приводит к странным эффектам – в частности, чем выше скорость, с которой вы движетесь, тем медленнее для вас идет время. Если в будущем космонавт будет путешествовать со скоростью, составляющей 95 % скорости света, то и стареть он будет гораздо медленнее, чем его брат-близнец, оставшийся на Земле. Как это ни поразительно, ученые действительно доказали, что «замедление времени» – объективная реальность. Для этого потребовалось установить атомные часы на самолете, обогнувшем Землю, и сравнить время на них и на точно таких же часах, оставшихся на земле. Кроме того, этот феномен был многократно подтвержден, когда физики измеряли, как варьируется время жизни различных частиц с изменением их скоростей.