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

«Ледяной куб» – совершенно уникальная обсерватория. Глетчерный лед, толщина которого в этом месте более 2 км, на большой глубине становится совершенно прозрачным и не содержит даже пузырьков воздуха – их вытесняет чудовищное давление. Вечный лед выполняет такую же функцию, как и главное зеркало обычного оптического телескопа. Вглубь льда вертикально уходят 86 длинных стальных тросов, на которых через равные промежутки навешено по 60 сфер размером примерно с баскетбольный мяч. В каждом из этих 5160 шаров находятся оптические датчики и электроника. Датчики – фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – отдаленно напоминают обычные лампы накаливания, но действуют прямо противоположным образом: они собирают свет и преобразуют его в электрические сигналы. В лаборатории «Ледяной куб» эти датчики отслеживают в подземном льду слабые синие вспышки, которые иногда мерцают в кромешной тьме. Как только датчик фиксирует вспышку, он посылает сигнал на компьютер, расположенный в наземной лаборатории.

Эти голубые искры возникают, когда через лед проходят элементарные частицы – мюоны. Мюоны подобны электронам, но примерно в 200 раз массивнее их. Физики обрабатывают сигналы, поступающие от различных датчиков, и на основе этой информации могут построить траекторию мюона в трех измерениях. Однако исследователей интересуют не мюоны как таковые. Главная цель – нейтрино, гораздо более неуловимая и, пожалуй, самая парадоксальная из всех известных субатомных частиц. Эти призрачные частицы время от времени сталкиваются с протонами, находящимися в молекулах льда, «высекая» из протонов мюоны. Рождение мюона сопровождается голубой искрой, мюоны подсвечивают лед и выдают присутствие нейтрино. Поскольку новоиспеченный мюон пронизывает лед практически по той же траектории, по которой в эту глыбу попал таинственный нейтрино, ученые могут определить по следу мюона, откуда пришел нейтрино.

Нейтрино – это элементарные частицы. Они подобны электронам, которые роятся вокруг атомного ядра, или кваркам, из которых состоят протоны и нейтроны. Нейтрино – одни из фундаментальных первоэлементов материи, однако они свободно проникают в атомы и покидают их. Кроме того, в отличие от многих других субатомных частиц, нейтрино не имеют электрического заряда, обладают ничтожной массой и практически не взаимодействуют с другими частицами. Если бы можно было создать свинцовый стержень длиной в один световой год [1] Расстояние, которое свет проходит за один год, примерно 9,5 трлн км. – Прим. ред. , то типичный нейтрино мог бы пройти его из конца в конец, не задев ни одного атома. Именно в этом и заключается основная загвоздка, связанная с исследованием нейтрино: эти частицы, если можно так выразиться, патологически застенчивы. Они ни за что не желают взаимодействовать со своими собратьями, поэтому их так сложно отловить. Но время от времени нейтрино все-таки сталкиваются с другими частицами – например, с протоном из молекулы воды. Обычно это происходит случайно. Задача физиков – повысить вероятность такого столкновения и, следовательно, увеличить наши шансы увидеть нейтрино. Поэтому ученые конструируют огромные уловители этих частиц. Один из подобных комплексов – лаборатория «Ледяной куб».

Непосредственно наблюдать нейтрино невозможно, однако можно зафиксировать их присутствие по характерным следам, которые оставляют эти частицы. В тех редких случаях, когда нейтрино все-таки взаимодействуют с материей, они порождают заряженные частицы – например, мюоны. Такие частицы уже можно зарегистрировать при помощи физических приборов. Но отличить нейтринные сигналы от «фонового шума» – задача не из легких. Дело в том, что космические лучи – стремительные частицы, прилетающие из межзвездного пространства, – также порождают мюоны. Поэтому нейтрино просто тонут в потоке космических лучей.

Охотники за нейтрино устанавливают свои приборы глубоко под землей или под толстым слоем льда, чтобы в них не могли попасть мюоны, образовавшиеся под действием космических лучей. Как подметила Джанет Конрад, сотрудница Массачусетского технологического института, «если вы хотите расслышать шепот, то вокруг должна стоять полная тишина».

Схема нейтринной обсерватории «Ледяной куб»

(J. Yang/NSF)

Итак, поймать нейтрино нелегко, их можно назвать одними из самых интересных космических гостей. Нейтрино скрывают в себе тайны природы материи, детали звездных взрывов и даже могут рассказать о структуре самой Вселенной. Более того, физик-теоретик Борис Кайзер считает, что «если бы не было нейтрино – не было бы и нас». Кайзер работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми – Fermilab, расположенной недалеко от Чикаго. В этой лаборатории было поставлено несколько важных экспериментов, связанных с изучением нейтрино. Итак, вот что имеет в виду Кайзер: