Нейтрино - призрачная элементарная частица

«Ледяной куб», уникальная обсерватория

Исследования, которые ведутся в районе Южного полюса, можно смело сравнить с работами на другой планете. Вероятно, те ученые, которые сегодня там трудятся, полностью разделяют мнение Марселя Пруста, говорившего: «Подлинное открытие не в том, чтобы обнаружить новые земли, но в том, чтобы видеть мир новыми глазами». Один из самых интересных исследовательских приборов, установленных поблизости от Южного полюса, — устремленный в небо радиотелескоп диаметром 10 м. Он улавливает слабое остаточное свечение, еще сохраняющееся после Большого взрыва.

Полярная ночь на этой широте длится полгода, лютые морозы, когда столбик термометра падал до –73 °C, а также невыносимое чувство изоляции, не говоря уже о снежных буранах и смертельной тоске. И все же самые необычные и новаторские научные приборы, установленные рядом с Южным полюсом, находятся глубоко под толщей льда. И направлены они не вверх, как телескопы, а вниз. Возведение — точнее говоря, закапывание — этих конструкций было завершено всего за год до того, как в мире отмечали столетие со дня подвига Амундсена. Прибывавшие высокопоставленные гости видели довольно прозаическую картину: обычный прямоугольный фургон-лабораторию на полозьях, нашпигованный проводами и компьютерами. Было практически невозможно догадаться, что же находится там, глубоко внизу. Однако ученые предусмотрительно установили на ледяном поле череду ярких флажков, которые красноречиво свидетельствовали о циклопических размерах лаборатории.

«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 — фото электронные 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, 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».

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: «Энергия Солнца, от которой зависит вся жизнь на Земле, возникает в результате ядерных реакций. А реакции эти были бы невозможны без участия нейтрино». Более того, без нейтрино никогда не вспыхнули бы ядерные реакции более древних поколений звезд, а ведь именно они породили все сравнительно тяжелые химические элементы, на основе которых возникла жизнь. «Соответственно, — резюмирует Кайзер, — чтобы познать сущность Вселенной, мы должны как следует изучить нейтрино».

К счастью, при всей своей неуловимости нейтрино весьма многочисленны. Фактически это самая распространенная элементарная частица во Вселенной. По оценке Хитоси Мураяма, сотрудника Токийского университета и Калифорнийского университета города Беркли, на каждый атом во Вселенной приходится миллиард нейтрино. Физик полагает, что «такое изобилие нейтрино свидетельствует о том, что они играют во Вселенной важную роль. Вклад нейтрино в энергетический баланс Вселенной сравним с аналогичным вкладом всех звезд».

На самом деле около 100 трлн нейтрино, рожденных в ядерном пламени Солнца, успевают проскочить через человеческое тело всего за одни сутки. Иначе говоря, эти частицы непрерывно простреливают нас днем и ночью. Тем не менее они не только не причиняют нам ни малейшего вреда, но и не оставляют следов. За всю вашу жизнь даже один-единственный нейтрино вряд ли столкнется с атомом вашего тела. Нейтрино пролетают через толщу земных пород абсолютно беспрепятственно, как пули сквозь туман. Кроме того, нейтрино образуются и в недрах Земли в процессе распада радиоактивных элементов, а также возникают в верхних слоях атмосферы в результате взаимодействия заряженных космических частиц с атомами газов. Катастрофическая агония любой массивной звезды сопровождается грандиозными выбросами нейтрино. Нейтрино вырываются невредимыми из этого хаоса, а когда достигают Земли — сообщают нам о величественных небесных драмах, разворачивавшихся на расстоянии миллионов световых лет от нас. Наконец, сама наша планета буквально плывет в море космических нейтрино, сформировавшихся за какие-нибудь пару секунд после рождения Вселенной.

Данная статья - по материалам книги: Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей.

Книга есть в цифровом варианте.

Серия: Научно-популярные книги, Альпина нон-фикшн.