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

Нейтрино, в принципе, позволяют увидеть Вселенную такой, какой она была прямо после возникновения. Пока мы можем заглянуть во времена, наступившие примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, – до этого кипящий первозданный бульон из элементарных частиц, наполнявший юную Вселенную, был непроницаем для видимого света (и других видов электромагнитного излучения). Нейтрино, в свою очередь, позволяют исследовать гораздо более раннюю эпоху, так как они свободно перемещались в пространстве, не взаимодействуя с обычным веществом, уже спустя считаные секунды после образования Вселенной. Эти реликтовые нейтрино должны быть повсюду вокруг нас, в среднем по 150 на каждый кубический сантиметр пространства. Правда, на настоящий момент они должны обладать крайне малыми энергиями, и мы пока не знаем, как обнаружить эти частицы. Некоторые физики надеются, что запланированные эксперименты позволят регистрировать как минимум несколько реликтовых нейтрино ежегодно, хотя для научных измерений требуется гораздо больше этих частиц.

В то же время нейтрино очень важны для астрофизиков, поскольку свойства нейтрино определяют жизненные циклы звезд, образование тяжелых элементов при ядерном синтезе; от свойств нейтрино зависят феерические взрывы сверхновых, а при таких взрывах во Вселенной распространяются вещества, необходимые для зарождения жизни. Нейтрино имеют огромное значение для ядерной физики, поскольку при работе ядерных реакторов и взрывах атомных бомб образуется умопомрачительное количество этих частиц.

Даже геофизики обращают внимание на нейтрино. Они надеются, что нейтрино помогут окончательно решить давний вопрос о том, каковы источники тепла, подогревающие земные недра. Спор об этом явлении впервые возник около 150 лет назад между естествоиспытателем Чарльзом Дарвином и физиком Уильямом Томсоном (позже известным под именем Лорд Кельвин). В первом издании книги «Происхождение видов путем естественного отбора» [39] Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора. – М.: Книжный Клуб «Книговек», 2014. , опубликованном в 1859 г., Дарвин рассчитал, что на образование большой долины на юге Англии должно было потребоваться около 300 млн лет – то есть возраст Земли должен быть не меньше. Следовательно, заключал Дарвин, Земля существует достаточно давно, и за это время эволюционный процесс вполне мог привести к возникновению биоразнообразия, наблюдаемого сегодня. Томсон, один из величайших ученых своего времени, критиковал теорию естественного отбора, поэтому сомневался в предположении Дарвина. Он самостоятельно оценил возраст Земли, рассуждая так: изначально Земля находилась в расплавленном состоянии, а затем постепенно остывала. Что касается Солнца, Кельвин полагал, что Солнце медленно сжимается под действием собственной гравитации и поэтому разогревается. По обеим оценкам Кельвина возраст Земли получался явно недостаточным для биологической эволюции. Дарвина беспокоили расхождения между его оценками возраста Земли и оценками Томпсона. В письме Альфреду Расселу Уоллесу, одному из первооткрывателей естественного отбора, Дарвин сетовал: «Меня очень беспокоит малый возраст нашего мира по сэру У. Томсону». В более поздних изданиях своего труда Дарвин вообще опустил всяческие упоминания о хронологии.

В те времена наука еще не знала о ядерных реакциях – именно они, как нам сегодня известно, обеспечивают горение Солнца. Кроме того, еще не была открыта радиоактивность, под действием которой подогреваются горные породы. Следовательно, оценки Томпсона получились заниженными, так как не учитывали этих источников энергии. Сегодня возраст Земли и Солнечной системы известен с большой точностью благодаря радиометрической датировке древних горных пород и метеоритов, мы имеем более реалистичную оценку: возраст Земли составляет около 4,5 млрд лет, и этого более чем достаточно для кардинальных геологических изменений и масштабной биологической эволюции.

Однако геофизики до сих пор не могут определить, какая часть земного тепла выделяется в результате распада радиоактивных элементов, а какая обусловлена постепенным остыванием нашей планеты, которая когда-то была огненным шаром. Считается, что большая часть естественной теплоты нашей планеты связана с делением ядер урана и тория, однако точные запасы этих элементов до сих пор не известны, поскольку они сильно рассеяны в земных недрах. Таким образом, сегодня мы гораздо полнее представляем себе состав Солнца, чем состав Земли.