Глава 5
Космические хамелеоны

Более полувека назад Бруно Понтекорво сделал два важнейших предположения, которые стали ключевыми для разгадки тайны солнечных нейтрино. Во-первых, он понял, что в природе существует не один, а несколько типов нейтрино. Он пришел к такому выводу, наблюдая за распадом мюона – нестабильной элементарной частицы, относящейся к семейству лептонов (к этому же семейству принадлежат электрон и нейтрино). Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии и, по сути, являются первокирпичиками материи. Кроме того, мюон имеет отрицательный заряд и существует всего лишь около двух миллионных долей секунды, после чего распадается. Понтекорво предположил, что с мюоном и электроном связаны разные типы нейтрино.

Трое физиков из Колумбийского университета – Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер – подтвердили существование двух типов нейтрино, поставив соответствующие эксперименты на ускорителе частиц в 1962 г., и тем самым доказали верность догадок Понтекорво. Вскоре Мартин Перл и его коллеги из Стэнфордского университета идентифицировали третью, еще более массивную частицу, относящуюся к семейству лептонов, и назвали ее тау-частицей. Исследователи предположили, что должен существовать и третий тип нейтрино, связанный с тау-частицами. Типы нейтрино стали именоваться образным термином «ароматы».

Второе озарение Понтекорво заключалось в том, что нейтрино могут быть изменчивыми. Он обнаружил, что законы квантовой механики позволяют нейтрино превращаться из одного типа в другой – «осциллировать». Но это было возможно лишь при условии, что нейтрино обладают ненулевой массой. Понтекорво осознал, что масса нейтрино может оказаться минимальной, даже в тысячи раз меньше, чем у электрона – но нулевой все-таки быть не может. Кроме того, он знал, что при ядерных реакциях на Солнце образуются нейтрино лишь одного аромата – электронные нейтрино – и что лишь этот сорт нейтрино позволяет обнаружить эксперимент с хлорсодержащей жидкостью, поставленный Дэвисом. Вскоре после того, как в 1968 г. Дэвис впервые сообщил о дефиците солнечных нейтрино, Бруно Понтекорво и его советский коллега Владимир Наумович Грибов предположили, что по пути от Солнца на Землю нейтрино могут превращаться из одного сорта в другой – этим и объясняется их недостача, наблюдаемая в ходе экспериментов. Понтекорво и Грибов провели аналогию: «представьте, если бы шоколадное мороженое превращалось в ванильное». При всей странности выдвинутой ими теории, такая трактовка давала простое и красивое объяснение дефициту солнечных нейтрино: две трети электронных нейтрино, образующихся на Солнце, могут по пути к Земле сменить аромат и таким образом ускользнуть от наблюдений.

Подобная гипотеза представляется вполне оправданной в зыбком мире квантовой механики, где определенность уступает место вероятности. В квантовой механике частица может описываться и как волна, длина которой зависит от скорости и массы частицы. С математической точки зрения речь идет о «волновой функции», описывающей каждый из ароматов нейтрино. Если нейтрино всех трех ароматов обладают разными массами, то для каждого из ароматов нейтрино должна быть характерна своя длина волны. В сущности, можно сказать, что каждый нейтрино является гибридом всех трех ароматов. Продолжая аналогию с мороженым, можно сказать, что такое мороженое состоит сразу из трех начинок – шоколадной, ванильной и клубничной.

Как осциллируют нейтрино. (Reproduced with permission. Copyright © 2003 by Scientific American, Inc. All rights reserved.)

Пока нейтрино летит через космическое пространство, волны, соответствующие различным ароматам, распространяются с разной скоростью. По пути эти волны накладываются друг на друга, поэтому в различных точках пространства мы получим разные комбинации ароматов. Иногда будет наблюдаться выраженный аромат шоколада, тогда как в других случаях этот аромат сменится на ванильный или клубничный. Итак, частица, которая в момент возникновения являлась электронным нейтрино, может преодолеть некоторое расстояние и приобрести свойства тау-нейтрино. Именно так, по версии Понтекорво и Грибова, нейтрино могут изменяться на пути от Солнца к Земле.

Сложность заключалась в том, что их гипотеза противоречила общепризнанному убеждению, сложившемуся в научном сообществе: большинство физиков считали, что нейтрино не имеют массы и движутся со скоростью света – точно как фотоны, которые лишены массы. Если бы нейтрино действительно обладали такими свойствами, то не могли бы менять ароматы. На самом деле стандартная модель физики частиц, сформулированная в 1970-е гг. и получившая множество экспериментальных подтверждений, постулирует, что масса нейтрино равна нулю. Учитывая, каких впечатляющих успехов в описании субатомного мира позволила достичь стандартная модель, не многие физики были готовы отвергнуть ее положения относительно нейтрино и согласиться с радикальным предположением Понтекорво.

Однако настрой ученых стал меняться, когда трое физиков-теоретиков, занимаясь вычислениями, обнаружили любопытный эффект. Советские физики Станислав Павлович Михеев и Алексей Юрьевич Смирнов, опираясь на гипотезу американского физика Линкольна Вольфенштейна, пришли к выводу, что нейтрино должны гораздо активнее осциллировать в веществе, чем в вакууме. Таким образом, если сразу после возникновения в солнечном ядре нейтрино обладают умеренной изменчивостью, то к тому моменту, как такая частица достигнет поверхности Солнца, она уже должна осциллировать в бешеном темпе. Этот феномен получил название «эффект МСВ» – по инициалам своих первооткрывателей. Многие физики сочли его математическое описание весьма интересным. Джон Бакал признался одному журналисту: «Идея эффекта МСВ очень красивая. Мне кажется, что если бы природа действительно не использовала такую возможность, то это была бы некая космическая ошибка».

Но одни лишь теоретические рассуждения не могли убедить физиков в правоте Понтекорво относительно осцилляций нейтрино. Поэтому многие исследователи восторженно отнеслись к первым экспериментальным доказательствам переходов нейтрино из одного аромата в другой, полученным в 1990-е гг. К тому времени японские охотников за нейтрино усовершенствовали свой детектор, который теперь назывался Super-Kamiokande, или Super-K. Новый прибор стал гораздо чувствительнее, чем исходный детектор Kamiokande. Детектор Super-K, как и более ранние модели, мог регистрировать не только солнечные нейтрино, но и такие, которые образуются в верхних слоях земной атмосферы под действием космических лучей. Так называемые «атмосферные нейтрино» обладают в сотни и даже в тысячи раз большей энергией, чем солнечные. Соответственно, отловить атмосферные нейтрино значительно проще. По оценке ученых, мюонные нейтрино должны образовываться при контакте с космическими лучами вдвое чаще, чем электронные нейтрино. К счастью, детектор Super-K может отличать нейтрино двух этих типов дуг от друга: электронный нейтрино, попадающий в воду, оставляет зыбкий круг света, тогда как подобный круг от взаимодействия с мюонным нейтрино очень четкий. Группа исследователей, наблюдавшая оба сорта нейтрино в Super-K на протяжении почти двух лет, обнародовала неожиданный результат: никакого двукратного перевеса мюонных нейтрино над электронными не наблюдалось, оба эти сорта нейтрино встречались в приблизительно равных пропорциях. Одно из возможных объяснений этого феномена, заключили ученые, таково: возможно, половина мюонных нейтрино переходит в третий аромат, тау-нейтрино. Обнаружить же тау-нейтрино в Super-K было не так просто.

Самая интересная загадка оказалась связана с тем, откуда прибывают нейтрино. Космические лучи с равной интенсивностью бомбардируют всю земную атмосферу, поэтому количество столкновений этих лучей с атмосферными атомами также должно быть примерно равным в любой точке неба. Действительно, исследователи, работавшие с Super-K, зафиксировали практически одинаковые количества электронных нейтрино, приходящих и сверху (с неба), и снизу (с другой стороны земного шара). Однако в случае с мюонными нейтрино такое равенство не соблюдалось: лишь каждый третий мюонный нейтрино прилетал из-под земли, а все остальные нейтрино этого сорта «сыпались» с неба. Исследователи с Super-K предположили, что мюонные нейтрино каким-то образом исчезают, пролетая сквозь толщу земного шара. «Мы поняли: нет дыма без огня», – так образно охарактеризовал эту ситуацию Эд Кёрнс из Бостонского университета, работавший в коллаборации Super-K. Ученые пришли к выводу, что, скорее всего, мюонные нейтрино меняли аромат, превращаясь в тау-нейтрино, которые плохо фиксировались в Super-K. Благодаря этим открытиям в последние годы XX в. все больше представителей физического сообщества склонялись к мысли, что именно осцилляция позволяет объяснить аномалии в соотношении сортов атмосферных нейтрино, а также наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино.

Правда, тот факт, что некоторые нейтрино буквально исчезают в полете, нельзя было считать прямым доказательством перехода нейтрино из одной разновидности в другую. Чтобы убедиться в верности такой интерпретации, физики должны были определить, во что превращаются солнечные электронные нейтрино, либо как минимум изучить электронные нейтрино отдельно от других ароматов. Именно для этой цели была построена нейтринная обсерватория Sudbury (SNO), оборудованная в действующей никелевой шахте на севере канадской провинции Онтарио. Детектор SNO был призван решить проблему солнечных нейтрино раз и навсегда. Позже эта лаборатория была расширена до целого научного комплекса, получившего название SNOLAB.

Директор SNOLAB Найджел Смит согласился устроить мне экскурсию по этой лаборатории. В один из поздних ноябрьских вечеров 2010 г. я отправился из Торонто в Садбери. Четыре часа провел за рулем, следуя на север, время от времени попадая в метель. На следующее утро в предрассветной тьме, не надеясь на GPS-навигатор, я едва нашел дорогу от дешевого отеля (где останавливался на ночь) до комплекса SNOLAB. Однако я ухитрился прибыть на место как раз вовремя, к моменту отправления последнего лифта, уходившего на глубину. На часах было семь утра.

В рабочей раздевалке на первом подземном этаже мы с Найджелом Смитом облачились в голубые комбинезоны и ботинки с армированными носами. Смит закрепил на каске шахтерский фонарь, на ремне – аккумулятор, мне велел сделать то же самое. Мы оставили на специальном колышке две метки – одну для Смита, другую для «посетителя», чтобы в случае нештатной ситуации было проще определить, сколько человек осталось в шахте. Затем мы вошли в темный скрипучий лифт, подвешенный на тросе толщиной почти с мою руку. Вместе с нами в открытую клеть погрузились еще человек двадцать шахтеров. Наш спуск в глубины начался медленно, но затем ускорился. Горняцкие фонари у нас на касках светили довольно тускло, мы видели только пролетавшие мимо нас каменные стены шахтного ствола. Клеть несколько раз останавливалась, группы шахтеров удалялись на работу в штреки. Я мельком заглядывал в освещенные туннели, горизонтально отходившие вдаль от ствола шахты. Примерно на полпути вниз барабанные перепонки уже стали ощущать возросшее давление, поэтому я немного пожевал и натужно зевнул. На последней остановке, около двух километров под землей, вышли мы со Смитом и несколько шахтеров. Наш спуск с учетом всех попутных остановок продлился около 10 минут.

Правда, на этом наше путешествие далеко не закончилось; нам предстояло пройти еще около 1,5 км по грязному тоннелю, отделявшему нас от SNOLAB. К счастью, система железобетонных стоек, анкерных крепей и стальных щитов надежно держала массу нависавших над нами горных пород, не давая им обрушиться под давлением, а вентиляционная система хорошо продувала тоннель – иначе мы бы рисковали свариться здесь от духоты. Горняки разошлись в боковые туннели добывать никель (ведь именно ради этого металла когда-то была прорыта шахта), а мы со Смитом все шли прямо вдоль узкоколейки для вагонеток. Наконец мы достигли таблички, на которой красовалась надпись: «SNOLAB: mining for knowledge». Мы стояли у дверей самой глубокой в мире исследовательской лаборатории. Смыли грязь с сапог специальным шлангом, а затем открыли ярко-голубую дверь. Я сразу же остолбенел от неожиданного контраста: передо мной предстал чистейший лабораторный отсек, потолок без единого пятнышка, блестящие стены, воздух даже без намека на пыль. Все это абсолютно не сочеталось с мрачной шахтой, которую мы только что миновали. Прежде чем двигаться дальше, мы приняли душ и переоделись в свежие комбинезоны, бахилы, надели сеточки для волос. Последним этапом этого затейливого ритуала очищения перед вступлением в «святая святых» стал воздушный душ – мы избавились от последних пылинок, которые могли на нас остаться, чтобы не нарушить стерильность SNOLAB и не смазать филигранные эксперименты, которые там проводятся. Эта лаборатория эксплуатируется в стерильном режиме, воздух постоянно фильтруется. Все и всё, что попадает в этот комплекс, подлежат тщательной очистке. В частности, в лабораторию не должны проникнуть даже мельчайшие количества радиоактивных элементов, которые изобилуют в шахтной пыли; эти элементы могут спровоцировать интерференцию при измерении нейтринных сигналов.

Будучи внутри этой лаборатории – например, проходя мимо стоек с электронным оборудованием, нашпигованным мерцающими индикаторами, либо перекусывая в столовой вместе с другими учеными, – сразу забываешь, что ты находишься глубоко под землей, а над тобой – 2 км горных пород. Даже если в лифте или в туннеле на тебя накатывают приступы клаустрофобии, здесь это ощущение проходит. Да, заметно отсутствие окон и солнечного света – поэтому кажется иронией судьбы, что эта лаборатория была выстроена именно для наблюдения за частицами, прилетающими с самого Солнца. В середине 1980-х 16 ученых собрались вместе и предложили построить SNO. В этой лаборатории планировалось ловить хотя бы единичные частицы из того множества нейтрино, которые сплошным потоком струятся с Солнца и проникают через горные породы столь же легко, как свет сквозь оконное стекло.

Среди этих ученых был и Арт Макдональд, в ту пору работавший профессором в Принстонском университете. Макдональд вырос на восточном берегу острова Кейп-Бретон в Новой Шотландии. Он всегда интересовался тем, как устроены разные вещи. Ребенком Арт с удовольствием разбирал часы и пытался вновь собрать их. Позже Арт стал физиком и, вооружившись математикой, стремился познать законы природы. Он вернулся в Канаду в 1989 г., принял пост профессора в Университете Куинс и встал во главе проекта SNO. Спустя два года ему и коллегам удалось выбить достаточное финансирование, чтобы воплотить общую мечту: построить глубоко под землей мощную нейтринную обсерваторию.

Детектор SNO на этапе установки

(Lawrence Berkeley National Laboratory)

Настоящим сердцем нейтринного детектора SNO является гигантский цилиндрический сосуд, выполненный из прозрачного акрила. Исследователи наполнили его не обычной водой, а залили в сосуд тысячу тонн тяжелой воды. В молекуле тяжелой воды вместо обычного водорода содержится дейтерий – в этом изотопе водорода присутствует не один протон, а протон и нейтрон. Исследователи очистили тяжелую воду, чтобы удалить из нее не только примеси, но и следы радиоактивных газов. Акриловый сосуд заключен в геодезическом куполе, во внутренней поверхности которого встроены 9600 ФЭУ, постоянно отслеживающих взаимодействия воды с нейтрино. Весь этот исследовательский аппарат развернут в глубокой подземной полости, которая могла бы вместить в себя целый собор. Будучи в лаборатории, я смог взглянуть на эту установку сверху. Строительство SNO продлилось более девяти лет и обошлось в 70 млн канадских долларов – не считая еще 200 млн, выделенных компанией Atomic Energy of Canada на приобретение необходимого объема тяжелой воды. Проект не обошелся без некоторых заминок, но уже летом 1999 г. детектор SNO начал получать лабораторные данные.

Спустя два года Арт Макдональд объявил о первых результатах эксперимента, полученных в ходе регистрации взаимодействий между нейтрино и тяжелой водой на протяжении 241 суток. Сравнив количество нейтрино, зарегистрированных в SNO и Super-K, Арт и коллеги пришли к выводу, что некоторые нейтрино, по всей вероятности, действительно меняют аромат. «Мы разгадали тайну недостающих солнечных нейтрино, которая оставалась нераскрытой в течение тридцати лет, – сказал он в одном из интервью. – Теперь мы практически уверены, что наблюдавшийся дефицит связан не с ошибочностью теоретических моделей Солнца, а с изменениями, которые претерпевают сами нейтрино на пути от Солнца к Земле». Эти результаты подстегнули интерес к исследованию осцилляций нейтрино, а также заставили вновь задуматься о том, обладают ли нейтрино ненулевой массой.

Необходимо признать, что это было существенное достижение, однако оно далеко не решило всех проблем. Идеальной проверкой для SNO был бы опыт по измерению всех трех ароматов нейтрино, без необходимости сравнения результатов этой обсерватории с данными из Super-K. Именно эту задачу и поставили перед собой канадские физики. В течение следующего года они предоставили точные данные о том, сколько нейтрино каждого из ароматов удалось зафиксировать. Суммарные результаты полностью совпали с теми, что были теоретически предсказаны в модели Джона Бакала. Действительно, электронные нейтрино составляли лишь треть от всех, прилетающих к нам от Солнца. Остальные две трети приходились на мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, удалось доказать, что образующиеся на Солнце электронные нейтрино по пути к Земле действительно меняют аромат. Физик Эд Кёрнс из Бостонского университета объясняет: «Super-K фактически сообщил нам только общий баланс на счете, а SNO позволил изучить и приходную, и расходную часть».

Эти открытия полностью подтвердили правоту Дэвиса и Бакала. Измерения Дэвиса и расчеты Бакала относительно солнечных нейтрино с самого начала были правильными. На самом деле совпадение между прогнозом Бакала и количеством нейтрино, отловленных в SNO, оказалось удивительно точным. Сам Джон был настолько окрылен сознанием собственной правоты, что даже признался одному журналисту: «Было такое ощущение, словно я танцую». Позже Бакал говорил: «Представьте, 30 лет все указывали на меня пальцем и говорили: “Это тот самый парень, который неверно рассчитал поток нейтрино от Солнца” – и вдруг оказалось, что я прав. Все равно как если бы человека давным-давно осудили за какое-то гнусное преступление, а затем сделали анализ ДНК и выяснили, что он, оказывается, невиновен. Именно так я себя тогда чувствовал». Наконец-то астрономы могли с полным правом сказать, что вполне понимают, как именно на Солнце образуется энергия. Кроме того, теперь у них появился новый метод, позволяющий измерить температуру в недрах Солнца – за миллионы километров от нас. Дело в том, что количество солнечных нейтрино, образующихся каждую секунду, значительно меняется в зависимости от температуры ядра. Физики получили важнейшие подтверждения правильности прогнозов Понтекорво: оказалось, что нейтрино действительно меняют аромат и имеют ненулевую массу, хотя это и противоречит стандартной модели.

Вероятно, эти открытия очень впечатлили и весь Нобелевский комитет: в 2002 г. за свои исторические достижения половину Нобелевской премии по физике поделили Рэй Дэвис и Масатоси Косиба из лаборатории Kamiokande. Премия была вручена с формулировкой «за первый весомый вклад в астрофизику, в части обнаружения космического нейтрино». Джон Бакал награжден не был, несмотря на поразительное подтверждение его гипотетической солнечной модели. Многие коллеги сочли, что Бакала несправедливо обделили.

Среди физиков распространено мнение, что в будущем Нобелевский комитет также планирует вручить еще одну премию – за открытие осцилляций нейтрино. В конце концов, Нобелевская премия 2002 г. была присуждена за экспериментальное обнаружение нейтрино и соответствующий вклад в астрофизику, а не за открытие изменчивости этих частиц. Эд Кёрнс полагает, что присуждение Нобелевской премии за открытие осцилляций нейтрино – это «вопрос времени». Угадывание будущих лауреатов – излюбленная кулуарная игра в физическом научном сообществе. Кёрнс и некоторые его единомышленники полагают, что хотя бы часть этой потенциальной премии должна быть присуждена Арту Макдональду, лидеру команды SNO. Не столь понятно, кто из группы Super-K может рассчитывать на часть этой премии, поскольку руководитель лаборатории Ёдзи Тоцука умер в 2008 г. Следующими вероятными кандидатами являются Ёитиро Судзуки и Такааки Кадзита – они оба сделали большой вклад в работу Super-K. «Было бы здорово, если бы премию присудили всем троим. Каждый октябрь я с нетерпением жду, вдруг это произойдет», – признался мне Кёрнс. Джон Лирнид из Гавайского университета согласен с Кёрнсом по двум из этих кандидатов – Макдональду и Кадзите, но считает, что третья часть премии должна достаться Ацуто Судзуки, физику из лаборатории KamLAND, где изучаются осцилляции нейтрино, образующихся в ядерном реакторе.

Открытие осцилляций нейтрино имеет для науки далекоидущие последствия. Во-первых, факт осцилляций означает, что нейтрино обладают массой, несмотря на то, что это противоречит Стандартной модели. Следовательно, у нас есть первое весомое доказательство в пользу неполноты этой модели. Во-вторых, измерение осцилляций нейтрино открывает перед нами путь к «новой физике» – этим термином обобщенно именуют все феномены, которые не учитываются в стандартной модели. Карстен Хигер, физик из Висконсинского университета в Мадисоне, в разговоре со мной сказал следующее: «Традиционная физика частиц всегда лишь подтверждала Стандартную модель. Осцилляции нейтрино стали первым признаком того, что физика не ограничена Стандартной моделью. Это открытие – настоящий прорыв в физической дисциплине».

Открытие массы у нейтрино представляет интерес и для космологии. Нейтрино – вторые по распространенности частицы во Вселенной (после фотонов), поэтому если каждый нейтрино обладает хотя бы минимальной массой, то общая масса этих частиц может оказаться довольно значительной. Некоторые специалисты по космологии надеялись, что именно из нейтрино может состоять таинственная темная материя, факт существования которой известен только по гравитационному воздействию этой материи на галактики и скопления галактик. Однако масса нейтрино все-таки слишком ничтожна, чтобы именно на нейтрино могла приходиться вся темная материя. Таким образом, должна существовать какая-то другая частица (или частицы), еще неизвестные физической науке. Охота продолжается, но подходящая «дичь» пока не найдена.

Открытия, сделанные в лаборатории Super-K и SNO, подготовили почву для новых экспериментов с нейтрино. Цель этих экспериментов заключается в точном измерении того, как именно нейтрино переходят из одного аромата в другой. Физики часто характеризуют такие осцилляции в контексте параметров, называемых «углы смешивания». В схожем контексте принято описывать аэродинамику самолета, в которой различаются параметры «тангаж», «крен» и «рыскание». Два из трех углов смешивания удалось измерить в лабораториях Super-K и SNO, а величина третьего, называемого «Ө13» (тета-один-три), оставалось неизвестной. Измерив все три угла смешивания, физики смогут точно определить попарные разности масс трех состояний нейтрино. Более того, в этом случае нас, вероятно, ждут новые интересные открытия в области новой физики, связанные с мельчайшими деталями преобразований нейтрино. В настоящее время ученые активно ищут ответ на вопрос, совпадают ли свойства нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино – аналог нейтрино, состоящий из антивещества. Если эти свойства не совпадают, то понимание различий между нейтрино и антинейтрино может оказаться важнейшим шагом к ответу на вопрос: почему во Вселенной наблюдается настолько больше вещества, чем антивещества? Мы подробнее обсудим эту проблему в главе 7. Второй актуальный вопрос, стоящий перед физиками, – существуют ли и другие ароматы нейтрино кроме известных трех? Некоторые экзотические теории предполагают существование четвертого аромата, условно именуемого «стерильные нейтрино». Такие нейтрино якобы вообще не взаимодействуют с материей, но их можно обнаружить косвенными методами. Вероятно, обнаружить этот наиболее инертный сорт нейтрино будет гораздо сложнее, чем остальные. Но с космологической точки зрения стерильные нейтрино могут играть заметную роль, если их общая масса достаточно велика и сопоставима с массой темной материи.

В новейших экспериментах по изучению осцилляций используются нейтрино техногенного происхождения – в частности, получаемые из ядерных реакторов и ускорителей частиц, – а не солнечные или атмосферные нейтрино, как в лабораториях Super-K и SNO. Вскоре после открытия осцилляции солнечных нейтрино японские физики подтвердили реальность этого феномена, измеряя нейтрино из ядерных реакторов, расположенных в районе Камиока. Действительно, через детектор прошла лишь часть испущенных нейтрино, в согласии с представлением о том, что по дороге от реактора часть из них сменила аромат. В ускорителях образуются целые лучи нейтрино; благодаря этому ученые могут с точностью определять количество, типы и энергии этих частиц. В США был поставлен эксперимент MINOS, в ходе которого луч нейтрино из лаборатории Fermilab близ Чикаго направляли в детектор, расположенный на севере штата Миннесота примерно в 720 км от лаборатории в заброшенном железном руднике Судан. MINOS также зафиксировал осцилляции нейтрино.

Один из крупнейших нейтринных экспериментов, ведущихся в настоящее время, называется «T2K», – эта аббревиатура означает «Токай – Камиока». В ходе эксперимента мощный луч нейтрино направляется через японский остров Хонсю. Ускоритель частиц, где образуются нейтрино, расположен в городе Токай на восточном побережье Японии, а детектор находится в районе Камиока на западе острова, примерно в 290 км от Токая. Кстати, город Токай в Японии довольно известен – именно на него в нескольких японских фильмах нападает монстр Годзилла. Строительство и последующая эксплуатация этого комплекса осуществляется международной коллаборацией, в которой заняты около 500 ученых из 12 стран. Сбор экспериментальных данных начался в январе 2010 г. Предполагалось, что первые результаты будут объявлены на семинаре в Токио, который был запланирован на 11 марта 2011 г. в 15.00 по токийскому времени. Однако всего за 14 минут до начала этого мероприятия на северо-восточном побережье Японии разразилось катастрофическое землетрясение силой 9 баллов по шкале Рихтера. Это было сильнейшее землетрясение, когда-либо зарегистрированное в стране, на берег обрушились опустошительные цунами. По сделанным впоследствии оценкам, общее количество жертв землетрясения и цунами составило более 15 000 человек, а суммарный экономический ущерб превысил $200 млрд. Самой серьезной катастрофой в ходе этих событий стала авария на атомной станции «Фукусима», где из-за волн цунами остались без электропитания охладительные системы реактора, причем стихия уничтожила даже резервные дизельные генераторы.

Брайан Кирби, аспирант из Университета Британской Колумбии (UBC) в Канаде, прибыл в Токай за день до землетрясения, чтобы заступить на двухнедельную смену в аппаратном зале нейтринной лаборатории. Когда днем 11 марта все здание внезапно затряслось, он и еще несколько сотрудников спрятались под столом. «Толчки продолжались довольно долго», – вспоминал Брайан. Вскоре отключилось электричество. Когда толчки поутихли, Кирби с коллегами выбрались наружу. «Еще несколько минут продолжались афтершоки, земля казалась зыбкой», – рассказывает Кирби. Он не представлял, на каком расстоянии от эпицентра расположен Токай, каким разрушительным оказалось это землетрясение в районе города Сендай, всего в 200 км севернее. Убедившись, что стихия улеглась, Брайан с коллегами сели на велосипеды, покатили к дому, который арендовали неподалеку, и устроили барбекю, пока запасенные продукты в холодильнике не испортились – ведь электричества не было.

Спустя несколько часов в Ванкувере Скотта Озера разбудила жена и рассказала, что в Японии произошло сильное землетрясение. Озер работал профессором в университете Британской Колумбии – именно он был канадским представителем коллаборации T2K, выполнявшим обязанности спикера, и именно под его руководством Кирби защитил диссертацию. Озер открыл онлайновую карту и убедился, что эпицентр землетрясения был не так далеко от Токая. Он сразу же проверил электронную почту, надеясь найти в ящике письмо от своего аспиранта. Озер обнаружил массу сообщений от коллег по T2K, работавших за пределами Японии, а последнее письмо в папке «Входящие» было как раз от перепуганной матери Брайана Кирби. Озер послал ей японский номер мобильника Кирби и попытался позвонить парню сам. К удивлению и облегчению профессора, Кирби поднял трубку. Аспирант сообщил, что у него все нормально, только нет электричества, Интернета и батарея в телефоне садится. Сотрудники T2K организовали эвакуацию коллег из Токая вглубь острова, а затем и из Японии. Кирби покинул Японию спустя несколько дней.

Оставалось только гадать, в каком состоянии оказался эксперимент T2K. Озер признался: «Мы не питали надежд, что после девятибалльного землетрясения что-то могло уцелеть. По дорогам было невозможно проехать, несколько недель не было электричества, поэтому прошло немало времени, пока мы смогли отправить человека в Токай – проверить, в каком состоянии лаборатория». К счастью, разрушения оказались гораздо меньше, чем могло показаться. Здания, крепко вмурованные в породу, большей частью остались неповрежденными, но многие окружающие подъездные пути провалились, оборвались некоторые силовые кабели, была выведена из строя водяная система охлаждения комплекса. Благодаря барьерам от цунами морские волны не попали в лабораторию. Тем не менее ремонт продлился более года. Сбор данных в эксперименте T2K возобновился лишь в апреле 2012 г.

Согласно тем данным, которые были получены до землетрясения и анонсированы в июне 2011 г., некоторые мюонные нейтрино действительно превращаются в электронные. Более ранние исследования, проводившиеся в SNO и Super-K, позволили зарегистрировать два других вида осцилляций нейтрино, однако непосредственно наблюдать превращение третьего типа удалось только в T2K. Из множества мюонных нейтрино, полученных в Токае, 88 попали и в детектор Камиока, расположенный примерно в 290 км к западу. Причем шесть из этих 88 оказались в Камиока, уже будучи электронными нейтрино, хотя исходный луч состоял лишь из мюонных нейтрино. Очевидно, эти шесть частиц изменили аромат по пути. Эд Кёрнс признавался: «Хотя мы и изучаем осцилляции нейтрино уже долгие годы, эти шесть превращений воспринимались с глубоким трепетом». Линдли Уинслоу из Массачусетского технологического института также считает, что обнаружение этих шести частиц является важной вехой в физике нейтрино; по ее словам, это «шесть самых популярных событий, связанных с нейтрино». Эти первые результаты T2K оказались явно недостаточными, чтобы точно измерить значение третьего угла смешивания; все-таки шесть актов осцилляции – это очень мало. Однако данные результаты позволили убедиться, что величина Ө13 действительно не равна нулю. В свою очередь, это позволяет предположить, что нейтрино и антинейтрино отличаются по свойствам, в частности по-разному взаимодействуют с материей.

Три других эксперимента, связанные с уточнением Ө13, велись по горячим следам опытов с T2K. Один из них проводится в деревушке Шо на северо-востоке Франции; физики измеряют свойства нейтрино, образующихся в промышленном ядерном реакторе в ходе его эксплуатации. Ученые установили один детектор в непосредственной близости от реактора, а второй – на расстоянии 1 км от первого, чтобы можно было измерить темпы исчезновения электронных нейтрино. Осенью 2011 г. физики сообщили о результатах первых 100 дней эксперимента Double Chooz – он получил такое название, поскольку в Шо установлено два детектора. Измерения, выполненные французской группой, дали независимое подтверждение тому, что значение Ө13 действительно ненулевое, но не позволили с достаточной точностью определить это значение. Другой эксперимент, поставленный в бухте Дайя-Бэй в Китае, более чувствителен к таким изменениям. Дело в том, что в Дайя-Бэй установлен один из самых мощных промышленных ядерных реакторов в мире; не менее удобно, что огромные детекторы установлены глубоко под землей, благодаря чему удается по максимуму исключить помехи, связанные с космическими лучами. Проанализировав данные, полученные в Дайя-Бэй всего за два месяца, коллаборация Дайя-Бэй уже в марте 2012 г. объявила, что их эксперимент впервые позволил вполне точно измерить значение Ө13. Ученые выяснили, что около 6 % электронных нейтрино успевают исчезнуть на пути между реакторами и детекторами, протяженность которого составляет примерно 2 км. Примерно через месяц третий эксперимент под названием RENO, поставленный в Южной Корее, подтвердил результаты, полученные в Дайя-Бэй, хотя и с меньшей точностью. Кам-Бю Люк, спикер коллаборации Дайя-Бэй, работающий в США, сообщает: «Оказывается, что значение Ө13 довольно внушительное. Это сюрприз, причем приятный». Он считает, что «это открытие позволяет ученым совершенно по-новому взглянуть на многие вещи. Так, физики-теоретики наконец смогут выйти за рамки Стандартной модели».

Джанет Конрад из Массачусетского технологического института, работающая на эксперименте Double Chooz, также с воодушевлением воспринимает зарождающуюся «точную физику нейтрино». Конрад, выросшая на севере штата Огайо, в детстве увлекалась фантастическим сериалом «Звездный путь», любила смотреть на звезды в телескоп, который был у ее друга. Она мечтала стать астрономом или офицером по науке на звездолете. Правда, когда Джанет познакомилась с книгами о Нэнси Дрю и Шерлоке Холмсе, ее предпочтения изменились: теперь она подумывала о карьере сыщика. Однако впоследствии мечты о небе вновь привели Джанет к науке. Будучи подростком, Конрад просыпалась в предрассветный час, чтобы опрыскать теплой водой сортовые георгины, которые выращивала в саду вместе с отцом (ученым-агрономом) для выставок. Однажды утром, когда в лицо уже веял прохладный осенний ветер, ей довелось увидеть северное сияние. Девушка была просто зачарована ярким зрелищем, которое возникает из-за того, что прилетающие с Солнца заряженные частицы бомбардируют земную атмосферу. Она вспоминает, что эти зори были «такими невероятно прекрасными, такими захватывающими».

Позже, будучи студенткой колледжа Свартмор, Конрад посещала курс квантовой механики и очень интересовалась новейшими исследованиями, связанными с субатомным миром. Она смогла попасть на летнюю практику в Гарвард, где стала работать в лаборатории; там она участвовала в изучении свойств пучков частиц, генерируемых на циклотроне, в частности, их применения для лечения рака глаз. Но лишь на третьем курсе, после визита в лабораторию Fermilab, Конрад окончательно определилась со сферой своих научных интересов. В настоящее время Конрад занимает пост профессора в Массачусетском технологическом институте, где занимается проблемами нейтрино. Конрад удается сочетать любовь к науке и страсть к разгадыванию тайн. Однажды она образно отметила: «Детектив может и не быть ученым, но ученый – обязательно детектив». Она считает, что нейтрино могут дать ключ к решению величайших космологических загадок, и оптимистически смотрит в будущее – по мнению Конрад, в ближайшие 10 лет нас ожидают фундаментальные открытия в этой области. «Мы подходим к самому интересному. Потребовалось немало времени, чтобы достичь этого этапа, но сегодня мы можем находить ответы на важнейшие вопросы, подкрепляя их точными измерениями», – считает она.

Действительно, физики проделали долгий путь с тех пор, как Бруно Понтекорво впервые предположил, что нейтрино могут страдать от своеобразного «раздвоения личности». Благодаря открытиям, совершенным в Kamiokande и SNO, эти неутомимые исследователи смогли решить нелегкую проблему дефицита солнечных нейтрино, с которой не один десяток лет тягались Рэй Дэвис и Джон Бакал, рискуя собственной репутацией. Кроме того, охотники за нейтрино установили, что у этих частиц действительно есть масса – чем впервые доказали, что физика не ограничивается Стандартной моделью. Также удалось открыть, что нейтрино трех сортов могут превращаться друг в друга, меняя аромат. При помощи разнообразных высокоточных экспериментов ученые все точнее разбираются в деталях причудливых свойств этих частиц-хамелеонов. При этом они не только раздвигают границы фундаментальной физики, но и разрабатывают ценный инструментарий для космологии и астрофизики. В следующей главе мы поговорим о том, как астрономы при помощи нейтрино анализируют колоссальные взрывы, происходящие во Вселенной.