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

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] Еще более крупный подводный нейтринный телескоп строится в России, на дне озера Байкал. – Прим. ред. . 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] Российская Баксанская нейтринная обсерватория, расположенная в Приэльбрусье в толще горы Андырчи, занимает объем многоэтажного здания. – Прим. ред. . 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.