Глава 8
Семена революции

Лето 2012 г. ознаменовалось одним из самых триумфальных открытий в истории физики. Два независимых эксперимента, проводившихся на Большом адронном коллайдере (БАК) в лаборатории CERN, убедительно доказали существование бозона Хиггса – одной из самых неуловимых субатомных частиц, когда-либо предсказанных физиками-теоретиками. Это открытие поставило точку в создании грандиозного свода правил – Стандартной модели физики частиц.

Но причудливые свойства нейтрино вполне могут обрушить это филигранное творение ученых – как минимум доказать его неполноту. Физики признают, что обнаружение массы у нейтрино, сколь бы малой она ни оказалась, требует уточнить Стандартную модель. Охотники за нейтрино уже ищут следы тех феноменов, которые могли бы привести к такому коренному пересмотру. Открывая все новые особенности природы нейтрино в процессе новейших тонких экспериментов, ученые не только расширяют наши представления о фундаментальных свойствах материи, но и все подробнее узнают, что же происходило в первые, важнейшие секунды после Большого взрыва и какие события разворачиваются во время прощального фейерверка, сопровождающего гибель звезды. В ходе этих опытов физики надеются использовать нейтрино, чтобы зондировать источники тепла, подогревающие Землю изнутри, искать залежи полезных ископаемых и даже препятствовать распространению ядерного оружия. Более того, предполагается, что все эти исследования не станут тяжким бременем для налогоплательщиков, которые в наше время являются основными спонсорами фундаментальной науки.

Поиски бозона Хиггса растянулись на несколько десятилетий и обошлись в несколько миллиардов долларов. Охота за этой частицей началась как довольно невинная затея: в начале 1960-х о ее существовании предположили шестеро физиков, работавших в трех независимых научных группах. По высказанной ими гипотезе, пространство пронизано невидимым силовым полем, благодаря которому некоторые элементарные частицы приобретают массу. Как это часто бывает в фундаментальной физике, данная версия сложилась на основе математических соображений о симметрии в природе. Гипотетическое силовое поле было названо «полем Хиггса» – в честь Питера Хиггса из Эдинбургского университета, одного из шести теоретиков, сформулировавших эту идею. Поле Хиггса является одной из основных составляющих Стандартной модели.

Чтобы непосредственно проверить существование поля Хиггса и определить его свойства, требовалось найти частицу, которая была бы связана с этим полем. В контексте квантовой механики бозон Хиггса можно понимать как вибрацию поля Хиггса. Если этого поля не существует, значит, нет и вибраций; соответственно, обнаружив частицу, можно было бы убедиться и в существовании самого этого поля. Чтобы создать в поле вибрацию, нужно добиться возмущения этого поля – подобно тому, как мы бросаем камень в воду и от него во все стороны расходятся круги. Ученые надеялись, что если сталкивать в ускорителе частицы очень высоких энергий, то в поле Хиггса возникнут достаточно сильные волны и удастся наблюдать бозон Хиггса. К сожалению, теория поля Хиггса не давала экспериментаторам почти никаких зацепок: она не указывала массу бозона Хиггса, поэтому физики и не могли предположить, какова должна быть энергия столкновений, чтобы эту частицу можно было зафиксировать. Некоторые ученые скептически полагали, что бозон Хиггса вряд ли вообще будет когда-нибудь обнаружен. Так, Стивен Хокинг поспорил на $100 с Гордоном Кейном из Мичиганского университета, что найти эту частицу не удастся (Кейн считал, что бозон Хиггса существует).

Обнаружение бозона Хиггса либо опровержение его существования было самой приоритетной задачей БАК – ускорителя частиц, на строительство которого ушло более десяти лет и почти $9 млрд. Над созданием ускорителя работали тысячи ученых и инженеров. Неудивительно, что, когда CERN объявил о конференции, запланированной на 4 июля 2012 г., многие предвкушали, что на этом мероприятии наконец-то будет объявлено об обнаружении неуловимой частицы. Сотни людей еще ночью начали выстраиваться в очередь, чтобы успеть занять место в аудитории. Журналисты писали, что атмосфера в лаборатории была как на рок-концерте. На конференции были представлены результаты двух экспериментов, поставленных на БАК, причем в обоих множествах данных просматривались хорошо заметные всплески над общим фоном. Эти всплески возникали, когда энергия столкновений достигала около 125 ГэВ (гигаэлектронвольт); то есть наблюдаемая частица была примерно в 130 раз массивнее протона. Исследователи практически не сомневались, что такие толчки свидетельствуют об открытии бозона Хиггса.

Питер Хиггс, которому на тот момент было уже за восемьдесят, был приглашен на конференцию в качестве почетного гостя; другими почетными гостями были еще два физика-теоретика, предсказавшие существование этой частицы. Присутствующие заметили, что Хиггс даже украдкой смахивал слезы радости. «Ждать пришлось действительно долго, – признавался он спустя пару дней на пресс-конференции в Эдинбурге, – сначала я и помыслить не мог, что доживу до этого открытия, ведь мы почти не представляли, какую массу может иметь эта частица и, соответственно, насколько мощные машины понадобятся, чтобы ее открыть». Стивен Хокинг расплатился с Гордоном Кейном. Как и многие другие физики, Хокинг согласился, что обнаружение бозона Хиггса стало важнейшей вехой в истории физики. Однако в интервью каналу Би-би-си он оговорился и об обратной стороне этого открытия: «Жаль, поскольку крупные прорывы в физике достигаются в экспериментах, дающих неожиданные результаты».

Детектор ATLAS. На нем был поставлен один из двух экспериментов БАК, подтвердивший существование бозона Хиггса (CERN)

С тех пор как было впервые объявлено об открытии бозона Хиггса, на БАК удалось получить и новые результаты, развеявшие всякие сомнения в существовании этой частицы. Ученые тщательно исследуют все данные, которые могут свидетельствовать о малейших аномалиях и, соответственно, подвести нас к открытию еще не известных феноменов. Так, не исключено, что существует не одна, а несколько разновидностей частицы Хиггса. Правда, как жаловался Хокинг, пусть обнаружение бозона Хиггса в определенном смысле и является кульминацией долгого, напряженного и захватывающего пути, оно не открывает нам новых горизонтов, так как, в сущности, просто подтверждает теоретические прогнозы. Стивен Вайнберг из Техасского университета в Остине, один из создателей Стандартной модели, выразился так: «Бозон Хиггса – последний недостающий элемент Стандартной модели, однако он не позволяет нам выйти за ее пределы».

Именно поэтому все больше физиков вновь обращаются к исследованию неуловимых нейтрино, поскольку эти частицы могут вывести нас к новой физике, за пределы уже исследованной физической реальности. Например, Стандартная модель в исходной формулировке предполагает, что нейтрино не имеют массы. Следовательно, как мы уже обсуждали в главе 5, было удивительно узнать, что нейтрино могут менять аромат, так как для этого они должны обладать очень малой, но ненулевой массой. Рассуждая о массе нейтрино, Вайнберг сказал: «Это единственный известный факт из физики элементарных частиц, указывающий, что физика не ограничивается Стандартной моделью. Но эту подсказку мы пока не в силах интерпретировать».

Георг Раффельт из Института физики им. Макса Планка в Мюнхене вторит Вайнбергу: «Физики-теоретики полагали, что нулевая масса нейтрино – это очевидный факт. Природа нас обставила». Он поделился со мной этими мыслями, когда мы обсуждали физику, выходящую за рамки Стандартной модели.

«Открытие того, что нейтрино могут осциллировать и менять аромат, поистине дает нам новые перспективы, новое направление исследований», – добавляет Вайнберг. Во многом именно по этой причине физика нейтрино, в которой лет двадцать назад царило глубокое затишье (лишь некоторые ученые продолжали работать в этой области), сейчас переживает новый бурный расцвет. Сегодня исследованием этих призрачных частиц заняты более тысячи ученых.

Физики очертили пределы, в которых может находиться масса нейтрино, но еще не измерили ее. По имеющимся данным, нейтрино должны быть как минимум в миллион раз легче электронов. По мнению Андре Де Говея из Северо-Западного университета в Чикаго, сам этот факт загадочен в контексте Стандартной модели. Де Говея отмечает: «Ноль можно было бы понять, но эти частицы все-таки обладают минимальной массой – вот что удивительно». Физики-теоретики уже заняты разработкой дополнения для Стандартной модели, так называемого «механизма качелей», который, возможно, позволит объяснить, почему масса нейтрино настолько меньше массы других элементарных частиц. Но чтобы этот механизм сработал, у знакомых нам легких нейтрино должны быть массивные аналоги. Вполне возможно, что такие гигантские аналоги нейтрино образовались сразу же после Большого взрыва и существовали какое-то время, когда Вселенная была гораздо жарче и гуще, чем сейчас. Однако, скорее всего, такие антинейтрино быстро распались на другие элементарные частицы.

Хотя мы пока и не можем экспериментально проверить гипотезу о существовании тяжелых антинейтрино, физики надеются, что в течение ближайшего десятилетия удастся точно определить массу легких нейтрино. В Германии проводится эксперимент под названием KATRIN (Тритиевый нейтринный эксперимент в Карлсруэ), призванный решить эту задачу путем тщательного исследования бета-распада – кстати, именно при изучении бета-распада Вольфганг Паули когда-то догадался о существовании нейтрино. Огромный спектрометр, используемый в эксперименте KATRIN, будет измерять энергии электронов, высвобождающихся при бета-распаде атома трития (это тяжелый изотоп водорода, в ядре которого содержится два нейтрона и протон). На основании этих данных ученые попытаются вывести массу антинейтрино, которые пока остаются неуловимыми.

После того как инженеры собрали 200-тонный спектрометр для эксперимента KATRIN (работа велась на заводе, расположенном в 400 км от Карлсруэ – места проведения эксперимента), они столкнулись с неожиданным препятствием: оказалось, что аппарат был слишком велик для перевозки по узким дорогам, проложенным поблизости от завода. Пришлось погрузить спектрометр на баржу и отправить его по Дунаю через всю Австрию, Венгрию, Сербию и Румынию. Там аппарат перенесли на судно, которое переправило его через Черное и Эгейское море. К тому моменту, как груз прибыл в Сицилию, он остался без защитного покрытия – его сдуло во время шторма. В сицилийском порту рабочие погрузили аппарат на специальное тяжеловесное судно, которое повезло спектрометр дальше: через Средиземное море, Гибралтарский пролив, вдоль берегов Испании и Франции к устью Рейна. Поскольку уровень воды в Рейне оказался слишком низок, судно не смогло войти в устье, и рабочим пришлось перегрузить спектрометр на понтон, чтобы преодолеть следующий этап пути.

Главный спектрометр эксперимента KATRIN прибывает в деревушку Леопольдсхафен близ Карлсруэ в юго-западной Германии, проделав путь более чем 9000 км (Karlsruhe Institute of Technology)

Позже устройство было при помощи подъемного крана перегружено с понтона на грузовик, который и доставил спектрометр в местечко Леопольдсхафен, где его встречали с настоящей помпой. Так спектрометр проделал длинный окольный путь, составивший более 9000 км и продолжавшийся два месяца. Ожидается, что эксперимент KATRIN будет запущен, когда инженеры закончат сборку и испытание оборудования.

Всплеск интереса к нейтрино, наблюдаемый в настоящее время, объясняется и еще одной причиной: эти частицы играют важнейшую роль для сближения нескольких самостоятельных научных дисциплин. Нейтрино не только могут значительно продвинуть развитие фундаментальной физики и не только подсказывают, что физические теории не ограничиваются Стандартной моделью; эти частицы крайне важны и для космологии. Они могут дать ответ на вопрос, почему во Вселенной вещества несопоставимо больше, чем антивещества (об этом мы говорили в предыдущей главе), а также помогают нам понять механизмы роста колоссальных космических структур – в частности, скоплений галактик. На самом деле одна из наиболее точных оценок предельной массы нейтрино была получена так: ученые сравнили распределение галактик в космосе и структуру той «ряби» в пространстве, которая является дальним отголоском Большого взрыва; научное название этой «ряби» – «космическое микроволновое фоновое излучение». По словам Лусии Верде из Барселонского университета в Испании, планируемые исследования звездного неба – самый перспективный фронт работ для точного определения массы нейтрино. «Если общая масса одного нейтрино составляет менее 0,2 электронвольт… то ни один из планируемых нейтринных экспериментов не позволит определить эту массу модельно-независимым образом», – объясняет она. Поэтому, возможно, для решения задачи потребуется не полагаться на наземные эксперименты, а взглянуть в небеса. Верде отмечает, что «космологические исследования обладают достаточной статистической силой, чтобы обнаружить в небе эффекты воздействия нейтринной массы, даже если она близка к минимуму, допускаемому осцилляциями».

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», 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.

Сегодня благодаря современным высокочувствительным детекторам ученые могут зондировать недра нашей планеты, наблюдая за антинейтрино, образующимися в ходе распада радиоактивных ядер в земных породах. Технические возможности для этого появились недавно, но сама идея подобных исследований не нова. Еще в 1953 г. в письме Фредерику Рейнесу известный физик и специалист по космологии Георгий Гамов указывал, что существует возможность обнаружить нейтрино земного происхождения. Позже, в начале 1980-х, трое других физиков – Лоренс Краусс, Шелдон Глэшоу и Дэвид Шрамм – подробно рассчитали, сколько нейтрино должно образовываться в земной коре каждую секунду. «Воодушевившись замечательными экспериментами, которые позволили открыть солнечные нейтрино… мы с коллегами стали размышлять о других естественных источниках нейтрино. Один из них оказался буквально у нас под ногами, – вспоминает Краусс. – Когда мы подсчитали, сколько таких нейтрино могут образовываться в результате распада радиоактивных элементов, находящихся в Земле, у нас получилось почти такое же большое число, как примерное количество нейтрино, прилетающих на Землю с Солнца, даже в низкоэнергетическом спектре». Он добавляет: «Мы также осознали, что перед нами стоит гораздо более сложная задача, чем перед Дэвисом, пытавшимся обнаружить солнечные нейтрино (не говоря о том, насколько труднодостижима была и его цель). Вот мы и написали статью, в которой предположили, что такое исследование никогда не будет проведено».

Трое коллег-физиков показали, что, в принципе, антинейтрино позволят нам заглянуть глубоко в недра Земли и способны немало сообщить о составе нашей планеты, поскольку количество частиц, испускаемых каждую секунду, непосредственно характеризует общую радиоактивность Земли. Поэтому при наблюдении таких нейтрино, образующихся в горных породах (сегодня они называются «геонейтрино»), можно определить количество урана и тория в земной коре и глубже – в мантии.

А теперь перенесемся в Японию на два десятилетия вперед. В 2005 г. с помощью детектора KamLAND, изначально построенного для проведения экспериментов, связанных с физикой частиц, впервые обнаружили геонейтрино, предсказанные еще Гамовым. Удалось зафиксировать всего 25 таких нейтрино, но это было очень важное достижение. Ацуто Судзуки, спикер коллаборации KamLAND, объявил об этом в пресс-релизе, выразившись так: «Теперь у нас есть диагностический инструмент, позволяющий заглянуть в недра Земли. Впервые можно утверждать, что для нейтрино нашлось практическое применение за пределами физической науки».

Прошло еще пять лет, прежде чем эксперимент Борексино, проводимый в Италии, дал независимое подтверждение открытию японских ученых. К 2011 г. команда KamLAND улучшила свою статистику, зафиксировав более 100 геонейтрино – это удалось сделать, усовершенствовав детектор. Очень кстати пришлась и неожиданная остановка расположенных поблизости ядерных реакторов – ведь они порождают очень много нейтрино, чем осложняют наблюдения за геонейтрино.

Исходя из количества геонейтрино, которые удалось обнаружить, ученые заключают, что в результате распада радиоактивных элементов Земля генерирует около 20 ТВт (тераватт) тепловой энергии в секунду (для сравнения: общее количество энергии, потребляемой человечеством, составляет до 15 ТВт). Ученые также могут рассчитать, сколько всего тепла отдает наша планета (для этого измеряется температура на дне буровых скважин). Суммарно наша планета выделяет около 44 ТВт. Таким образом, на радиоактивный распад приходится менее половины этой величины. Оставшаяся энергия генерируется в результате остывания нашей планеты – то есть эта энергия сохранилась со времен формирования Земли. Подобные результаты опровергают геофизические модели, согласно которым наша планета уже потеряла все свое первозданное тепло и в настоящее время подогревается только от радиоактивного распада.

Более точные эксперименты позволят ученым подробнее изучить состав основных земных пород и проверить различные сценарии их формирования. Кроме того, физики надеются узнать, какую роль тепловая энергия радиоактивного распада играет в тектонике плит (и играет ли вообще). Тектоника плит – это медленное движение крупных фрагментов земной коры, в результате которого формируются очертания континентов и образуются горные хребты. Георг Раффельт отмечает: «Благодаря буровым скважинам, землетрясениям и вулканам мы получаем сведения о поверхностных слоях земной коры, но нейтрино позволят нам заглянуть гораздо глубже. Они подскажут, правильно ли мы понимаем структуру Земли».

Готовится запуск детектора геонейтрино в нейтринной обсерватории Садбери на севере канадской провинции Онтарио. Эта установка, называемая SNO+, будет самой глубокой в мире, расположенной более чем в 2 км под землей, и в настоящий момент – самой чувствительной. Огромная глубина позволяет минимизировать помехи, возникающие из-за прилетающих на Землю космических лучей и осложняющие поиск нейтрино. Кроме того, SNO+ находится вдали от каких-либо атомных электростанций, поэтому, в отличие от KamLAND, в этой лаборатории не приходится отсеивать потоки реакторных нейтрино, перекрывающие и без того едва уловимый геонейтринный сигнал. Планируется создание и других детекторов, в частности, Low-Energy Neutrino Astronomy – LENA (Низкоэнергетическая нейтринная астрономия) в Европе и India-based Neutrino Observatory, INO (Индийская нейтринная обсерватория). Эти научные комплексы также подключатся к ловле геонейтрино. Кроме того, Джон Лирнид из Гавайского университета продвигает идею создания антинейтринной обсерватории на дне Тихого океана. Такая обсерватория, выстроенная на тонкой океанической коре, сможет точнее материковых детекторов измерить вклад мантии в общий тепловой баланс Земли. Согласно современным теориям, уран и торий распределены в мантии практически равномерно, но Лирнид в этом сомневается. Например, отмечает он, эти элементы могут быть сконцентрированы на границе между земной корой и мантией. Данные, полученные из разных уголков земного шара, позволят геофизикам картировать распространение этих элементов, чтобы лучше понять природу земной радиоактивности.

Некоторые физики стремятся даже к более амбициозным целям. Поскольку осцилляции нейтрино заметно отличаются в зависимости от плотности пород, через которые пролегает путь частицы, исследователи планируют направлять пучки нейтрино из одной точки земной коры в другую и таким образом зондировать структуру коры. Если бы удалось использовать мощные пучки нейтрино, генерируемые в ускорителях и высокочувствительных детекторах, то можно было бы фактически просканировать всю земную кору и найти большие полости, заполненные водой или залежами минералов. По схожему принципу делаются стоматологические рентгеновские снимки. Возможно, такая технология даже позволит обнаружить нефтеносные геологические формации, что, конечно же, будет интересно нефтедобывающим компаниям. Однако для реализации такого механизма требуются нейтринные пучки в тысячи раз более мощные, чем создаются в современных ускорителях частиц. Поэтому пока разведка нефтяных месторождений при помощи нейтринных пучков практически нереализуема.

Тем временем охотники за нейтрино, проявив восхитительную научную интуицию, случайно помогли морским биологам, изучающим глубоководную фауну. Необычный альянс возник неспроста: оказалось, что шум, который казался физикам досадной помехой, для биологов был ценным сигналом. В 2005 г. итальянские физики занимались постройкой Средиземноморской нейтринной обсерватории (NEMO) на шельфе Сицилии и обдумывали, как можно было бы целенаправленно «слушать» частицы, а не просто фиксировать бледные вспышки, возникающие при случайных соударениях нейтрино с молекулами воды. Они опирались на теоретические расчеты, согласно которым высокоэнергетические нейтрино, взаимодействующие с молекулой, должны порождать едва заметную акустическую волну. Поскольку под водой звук перемещается дальше, чем свет, для более эффективного обнаружения нейтрино стоило попробовать развернуть акустические детекторы. На самом деле ученые признают, что чувствительные звуковые детекторы могут уловить характерный «хлопок», издаваемый нейтрино, на расстоянии нескольких километров. Самое сложное, разумеется, – различить этот хлопок на окружающем звуковом фоне.

Физики из обсерватории NEMO понятия не имели, какие звуки будут преобладать в царстве Нептуна, в 1,5–2 км от поверхности Средиземного моря. Морские биологи предполагали, что на такой глубине вряд ли будет тихо, но им не хватало информации для более конкретного прогноза. Поэтому они были рады принять от физиков любую помощь, которая позволила бы прояснить ситуацию. В начале 2005 г. две группы ученых установили четыре сверхчувствительных гидрофона (микрофона для работы под водой) на испытательной площадке обсерватории NEMO. Устройства были подключены к кабелю, который ретранслировал данные на компьютер, установленный на близлежащем пирсе. Неудивительно, что гидрофоны записали фоновый шум от естественного волнения воды и движения судов. Иногда в записи прослушивались громкие всплески, вызываемые гребными винтами больших кораблей. Но ученые обратили внимание на специфические щелчки – эти звуки издавали кашалоты, прогонявшие сжатый воздух через свои носовые полости. Такие щелчки – одни из самых громких звуков, которые способны издавать животные. Вероятно, с их помощью кашалоты зондируют морские глубины и отыскивают добычу – примерно по такому же принципу летучие мыши используют эхолокацию при ориентировании. Ученые также слушали последовательности щелчков (такая последовательность называется «кода»), при помощи которых киты общаются друг с другом.

Прослушав сотни записей, биологи пришли к выводу, что кашалоты встречаются в Средиземном море гораздо чаще, чем можно было судить по предыдущим исследованиям, проводившимся на меньших глубинах. Теперь ученые хотят использовать глубоководные акустические системы, чтобы отслеживать численность и перемещения китообразных с течением времени. Биологи планируют выяснить, мигрируют ли киты из Атлантического океана в Средиземное море и обратно, есть ли у таких путешествий сезонная цикличность. Более того, благодаря результатам первых исследований акустическое оборудование было развернуто еще в нескольких точках на морском дне по всему миру. В частности, следует упомянуть подводный нейтринный телескоп ANTARES, установленный поблизости от побережья Франции.

Пока не ясно, смогут ли физики обнаружить нейтрино при помощи акустических приборов. Но уже планируется постройка подводной нейтринной обсерватории нового поколения KM3NeT, в которой будет установлена целая система гидрофонов. Гидрофоны помогут позиционировать оптические детекторы, а также пригодятся биологам, собирающимся изучать не только кашалотов, но и финвалов, и клюворылов – на огромных глубинах. Тем временем ученые из обсерватории NEMO совершили еще одно удивительное открытие: они обнаружили цепочки глубинных водоворотов, которые никто не ожидал встретить в закрытом Средиземноморском бассейне. Теперь ученые пытаются определить, сформировались ли эти водовороты именно в Средиземном море либо «приплыли» издалека, преодолев сотни километров. Нейтрино, которые в свое время интересовали только физиков-теоретиков, сегодня могут совершенно неожиданным образом приоткрыть для нас тайны подводного мира.

В обозримом будущем охотники за нейтрино смогут внести свой вклад даже в борьбу за мир. При помощи нейтрино можно выслеживать операторов нелегальных ядерных реакторов, ловить контрабандистов, приторговывающих плутонием, и даже остановить тех, кто попытается собрать самодельную атомную бомбу. В настоящее время ученые исследуют перспективы использования нейтринных детекторов для предотвращения распространения ядерного оружия. В таком контексте Георг Раффельт подчеркивает: «Возможно, даже для такой экзотической частицы, как нейтрино, найдется практическое применение». Ядерные реакторы, используемые для производства электроэнергии, – это потенциальный источник оружейного плутония, который со временем накапливается в реакторе – по мере того, как происходит деление ядер урана и уран распадается на более тяжелые элементы. МАГАТЭ стремится помешать распространению ядерного оружия и для этого наблюдает за реакторами, используемыми в энергетике. Периодически инспекторы агентства сравнивают регистрационные записи, сделанные операторами реакторов, с собственными данными, чтобы проверить, не ведется ли на станции какой-нибудь подозрительной деятельности – например, не слишком ли часто останавливают реактор для замены топливных элементов. Современные инструменты для такого мониторинга требуют доступа к коммуникациям реактора – например, для отслеживания того, сколько хладагента было израсходовано. Но такое оборудование неудобно, недешево, а его данные легко подделать.

К счастью, те самые реакции, в ходе которых из урана образуется плутоний, дают и побочный продукт: антинейтрино. Эти антинейтрино – средство для непосредственного измерения параметров ядерных реакций в реальном времени – просто находка для международных наблюдателей. Раффельт говорит: «Антинейтрино не врут». Не существует способа удержать эти частицы в реакторе и скрыть связанную с ним незаконную деятельность, если рядом с реактором установлен детектор нейтрино. На обычных АЭС топливные элементы эксплуатируются непрерывно, до тех пор, пока радиоактивного горючего в них не останется, – как правило, срок службы такого элемента составляет около полутора лет. По прошествии этого периода, когда ядерного топлива на АЭС становится меньше, уровень вырабатываемой энергии (а также поток нейтрино) медленно иссякает по естественным причинам. Но если кто-то очень хочет запастись плутонием, то реактор нужно будет останавливать как минимум на сутки один раз в несколько недель, чтобы поменять элементы. «Топливные стержни должны прожариться в течение строго определенного времени, чтобы в них образовался плутоний, – поясняет Джон Лирнид, – поэтому если найдется реактор, который останавливают раз в месяц, то можно быть уверенным, что там изготовляют начинку для бомб».

Теоретически измерение количества антинейтрино, испускаемых реактором, позволило бы тщательно следить за эксплуатацией этого реактора. Но на практике возникают определенные осложнения. В частности, сложно сконструировать детектор нейтрино, который был бы компактен и при этом достаточно точен. Другая проблема – экранировать такой детектор от блуждающих частиц, например от космических лучей. Кроме того, как объясняет Лирнид, «операторы промышленных атомных электростанций не желают, чтобы яйцеголовые физики шатались по их предприятиям. Кто знает, чего они там натворят!». Тем не менее ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе и из Сандийских национальных лабораторий протестировали прототип такого устройства на АЭС в Южной Калифорнии. Этот прибор размером примерно с холодильник содержал почти 600 кг нефтяного масла. Детектор, установленный в 10 м под землей, позволил измерить поток нейтрино, идущих от близлежащего реактора, и определить генерируемую мощность этого реактора с точностью до долей процента. Прибор позволил узнать даже те часы, в которые реактор был выключен.

Конечно, результаты этого испытания выглядят многообещающими, но они же демонстрируют и недостатки предложенной технологии. Во-первых, нейтринные детекторы на нефтяных маслах очень сложно устанавливать. Поэтому исследователи из нескольких стран – в том числе Бразилии, Канады, Франции и США – экспериментируют с детекторами, где вместо нефтяных масел применяются вода или пластик. Кроме того, не под каждой атомной станцией можно установить детектор. Однако при большой мощности ректора это не является проблемой. Если детектор расположен достаточно близко от реактора, то поток нейтрино будет заметен гораздо лучше любых фоновых «помех», вызываемых космическими лучами. Некоторые ученые ожидают, что компактные и надежные детекторы антинейтрино уже в ближайшей перспективе будут устанавливаться на АЭС, чтобы гарантировать соответствие эксплуатации этих станций нормам МАГАТЭ. Операторы АЭС даже могут извлечь из этого экономическую пользу: усовершенствовать свои реакторы, корректируя их работу по результатам отслеживания потока нейтрино в реальном времени. В случае аварии или нештатной ситуации нейтринный детектор сможет инициировать экстренную остановку реактора.

Другие ученые мыслят еще более масштабно, полагая, что их работа может быть интересна службам разведки и национальной безопасности. Изучаются возможности не только следить на расстоянии за известными атомными станциями, но и выявлять тайные реакторы, существование которых скрывается от МАГАТЭ. Действительно, мощные реакторы скрыть довольно сложно – поскольку они излучают достаточно много тепла, их не составляет труда засечь со спутника. Наблюдатели наиболее обеспокоены станциями среднего размера, находящимися на территории стран-изгоев. Подобные реакторы гораздо легче спрятать, но на них образуется достаточно плутония, чтобы делать по атомной бомбе в год.

Лирнид указывает, что, исходя из ориентировочных расчетов, новые технологии позволят дистанционно обнаруживать ядерные реакторы. «Разумеется, чем дальше вы находитесь, тем более крупный детектор вам понадобится». Такое устройство должно находиться в нейтральных водах и отслеживать, нет ли в опасной стране нелегальных ядерных реакторов. Лирнид даже планировал купить старую русскую подводную лодку, чтобы экспериментально проверить такую идею. В аналогичном направлении работает и группа из Французской комиссии по альтернативной и атомной энергии во главе с Тьерри Ласером. Французские ученые предлагают переоборудовать мощный нефтяной танкер в гигантский детектор антинейтрино и с его помощью отыскивать нелегальные атомные станции. Они выбрали для своего проекта название, достойное шпионского романа: SNIF (Секретный искатель нейтринных взаимодействий). Пока оба эти проекта далеки от реализации, учитывая чудовищные технологические и политические препятствия, с которыми придется столкнуться. Тем не менее они, вероятно, заслуживают дальнейшей проработки.

Возможно, в будущем детекторы нейтрино также помогут обнаруживать тайные испытания атомных бомб. Современные технологии такого обнаружения связаны с фиксацией сейсмических толчков, возникающих при взрыве. «Но эти приборы не позволили опознать несколько взрывов, а также дали множество ложных тревог – то есть обычные сейсмические толчки были приняты за отголоски ядерных взрывов», – поясняет Лирнид. Более того, если при испытании использовать амортизирующие материалы, а также менять размеры полости для закладки заряда, то выяснить точные параметры взрыва будет достаточно сложно. «Если мы обнаружим хотя бы один нейтрино, то это уже скажет нам о многом. Если время его регистрации точно совпадает с сейсмическим толчком, то можно констатировать, что это действительно был ядерный взрыв, – продолжает Лирнид. – Если измерить свойства 10 нейтрино, то мы сможем вполне точно определить магнитуду взрыва». Лирнид полагает, что сеть больших детекторов нейтрино, раскинутая по всему миру, позволила бы лучше отслеживать ядерные испытания. Он выступает за двойное использование нейтринных обсерваторий, где можно было бы одновременно заниматься и фундаментальной наукой, и разведкой. «Конечно же, меня по-настоящему привлекают именно научные возможности таких больших детекторов», – признается он.

Существуют и довольно зыбкие идеи практического применения нейтрино. В частности, можно попытаться использовать их для связи на больших расстояниях – ведь эти частицы беспрепятственно проходят практически через что угодно. Можно представить себе, как мы посылаем нейтринный луч с закодированным сообщением из одной точки в другую прямо через земной шар. Радиосигналу в таком случае потребовалось пройти множество спутников – ретрансляторов либо его пришлось бы передавать по трансокеаническим кабелям, опутывающим весь земной шар. Другой ученый в том же духе предложил использовать пучки нейтрино для трансляции сообщений на подводные лодки, идущие на большой глубине. Однако, чтобы такая технология имела шансы на успех, луч нейтрино должен быть в миллион раз сильнее, чем пучки, применяемые в современных экспериментах. Принять такой сигнал на стороне получателя – также крайне нетривиальная задача.

Тем не менее группа физиков уже провела первые опыты по налаживанию нейтринной коммуникации. Физики сгенерировали в лаборатории Fermilab нейтринный луч и стали бомбардировать пучками частиц гигантский подземный детектор, расположенный примерно в километре от лаборатории. Команда записала слово «neutrino» в стандартном двоичном коде, который преобразует символы в последовательности нулей и единиц. Детектор-приемник успешно зарегистрировал это простое сообщение, хотя оно и прошло через километр сплошного камня. Частота сообщения составляла жалкие 0,1 бит в секунду, и на передачу восьми символов ушло более двух часов. Как написали исследователи, «полученный результат доказывает осуществимость такой передачи данных, но в то же время свидетельствует о необходимости значительной доработки нейтринных пучков и детекторов, чтобы их можно было использовать на практике». Иными словами, не стоит в ближайшем будущем ожидать появления нейтринных телефонов – тем более нейтринных мобильников.

Суровая реальность не смущает других ученых, продолжающих создавать еще более экзотические проекты. Один исследователь предложил связать финансовые центры в разных частях света, занятые высокочастотным трейдингом, при помощи закодированных нейтринных лучей, пронизывающих Землю насквозь, по кратчайшему пути. Такой способ связи позволит трейдерам выигрывать до нескольких десятков миллисекунд на каждой сделке. Джон Лирнид, а также его коллеги Сандип Пакваса из Гавайского университета и Энтони Зи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре предлагают посылать нейтринные сигналы в космос для поиска внеземной жизни. Поскольку нейтрино летят через пространство, практически не встречая сопротивления, сторонники такого проекта считают, что эти частицы могли бы стать отличным средством связи между разумными цивилизациями.

Как ни увлекательны на первый взгляд некоторые из описанных технологий, охотников за нейтрино более всего интересуют чисто физические аспекты изучения нейтрино. Поскольку нейтрино определенно обладают ненулевой массой (что противоречит Стандартной модели), на горизонте нас ждет что-то новое. Как отмечает физик Борис Кайзер, сотрудник Fermilab, «физика ошибочна везде, где ее нельзя признать безошибочной». Он имеет в виду, что любая физическая теория применима только в той области, для которой эта теория формулировалась. «Стандартная модель отлично работает в сфере энергий, для которых она разрабатывалась, но может не соблюдаться при значительно более высоких энергиях», – поясняет он. Ситуация напоминает взаимосвязь между ньютоновской и эйнштейновской теорией тяготения. Кайзер отмечает: «Законы Ньютона отлично работают, если речь идет об отправке космического корабля на Луну. Но если вы хотите отправить зонд на другой конец Галактики, разогнав этот аппарат до 90 % скорости света, то вам придется опираться на теорию Эйнштейна». Аналогично у нас возникнет потребность заменить Стандартную модель более масштабной теорией, чтобы понять, какие процессы происходят при экстремальных условиях, подобных тем, что сложились сразу же после Большого взрыва.

Нейтрино не только обладают массой, но и проявляют еще ряд странных свойств. Данные, полученные в ходе эксперимента LSND (Жидкий сцинтилляторный детектор нейтрино), проводившегося в 1990-е гг. в Лос-Аламосе для изучения изменчивой природы нейтрино, свидетельствуют, что у нейтрино не три аромата, как считалось ранее, а четыре. Проект MiniBooNe («Малый усилительный эксперимент с нейтрино») также продемонстрировал признаки существования четвертого типа. Если такие нейтрино действительно есть в природе, то они должны быть еще более неуловимы, чем нейтрино первых трех ароматов. Вероятно, эти частицы тяжелее, чем нейтрино трех других ароматов, и не поддаются слабому ядерному взаимодействию, поэтому мы не сможем наблюдать их напрямую. Такие «стерильные» нейтрино тем не менее будут оказывать на окружающую материю гравитационное воздействие.

В NASA проводился проект WMAP (Зонд микроволновой анизотропии им. Уилкинсона). Это космическая обсерватория, регистрирующая едва заметную рябь пространства, являющуюся дальним отголоском Большого взрыва. Результаты работы обсерватории WMAP позволяют усомниться в существовании нейтрино четвертого типа. Структура флуктуаций космического фонового микроволнового реликтового излучения содержит следы целого паноптикума элементарных частиц, существовавших в молодой Вселенной. Проанализировав массив данных, зарегистрированных обсерваторией WMAP за целых девять лет, специалисты пришли к выводу, что в настоящее время, вероятно, существует всего три сорта нейтрино. В марте 2013 г. ученые опубликовали еще более точные карты космического реликтового излучения, составленные при помощи орбитального аппарата Planck Европейского космического агентства. Им также не удалось найти доказательств существования стерильных нейтрино, что разочаровало некоторых исследователей, рассчитывавших на более впечатляющие результаты.

Однако Джанет Конрад из Массачусетского технологического института, которая участвовала в эксперименте MiniBooNE, пока не готова окончательно согласиться с отсутствием четвертого типа нейтрино. Она полагает, что «Вселенная сложна, и стерильные нейтрино могли ускользнуть от Planck». Конрад указывает, что другие эффекты, в частности, асимметрия между нейтрино и антинейтрино в молодой Вселенной, могут «замаскировать» существование стерильных нейтрино. Кроме того, космологи не в состоянии напрямую измерить количество типов нейтрино, а логически выводят это значение на основании модели со множеством параметров. Если откорректировать хотя бы один из этих параметров – например, присвоить наблюдаемой скорости расширения Вселенной немного большую величину, – то существование четырех типов нейтрино окажется вполне допустимым. Конрад объясняет, что «именно поэтому физики и предпочитают наблюдать частицы непосредственно», а не полагаться на ограниченные данные космологии. «Могу утверждать только одно, – продолжает Конрад, – если прямой поиск стерильных нейтрино увенчается успехом, то космологические модели придется пересмотреть».

Действительно, охота на нейтрино может дать нам удивительные новые открытия о Вселенной, в которой мы живем, причем стоимость таких исследований будет на порядки ниже, чем цена конструирования мощных ускорителей частиц. Борис Кайзер из лаборатории Fermilab отмечает: «Физика нейтрино не такая уж и затратная. Она гораздо дешевле, чем Большой адронный коллайдер». На протяжении ближайшего десятилетия американские физики планируют сосредоточить исследовательскую работу на экспериментах с мощными пучками частиц и высокочувствительными детекторами, не требующих конструирования все более и более мощных ускорителей для достижения все более высоких энергий. Физика нейтрино сейчас находится в центре внимания американских ученых. Стивен Вайнберг полагает, что такая смена приоритетов действительно целесообразна. «Нейтрино позволяют нам исследовать очень интересный фронтир, причем за довольно небольшие деньги», – поясняет он. Хитоси Мураяма придерживается аналогичного мнения: «Эксперименты на высокоэнергетических ускорителях в США приходят в упадок. Сейчас ведущую роль в этой области исследований играет БАК. Поэтому Fermilab связывает большие надежды с нейтринными экспериментами, во многом потому, что они дешевле ускорителей нового поколения».

К огорчению американских охотников за нейтрино, запуск следующей большой исследовательской программы, «Нейтринного эксперимента с длинной базой» (LBNE), пока откладывается. Физики рассчитывали, что Национальный научный фонд и Министерство энергетики совместно профинансируют этот эксперимент почти на $2 млрд. Но обе организации отказались придерживаться первоначального плана, поскольку в непростые финансовые времена стоимость проекта была сочтена слишком высокой. «Это досадно, но не смертельно, – признается Кайзер, – когда Национальный научный фонд отказался от участия, конечно же, Министерство энергетики не могло потянуть в одиночку этот проект, руководители которого тем не менее готовы работать в этом направлении». Действительно, в декабре 2012 г. Министерство энергетики предварительно одобрило реализацию упрощенной версии этого эксперимента стоимостью вдвое меньше, чем предполагал исходный план. Задумано построить небольшой детектор и установить его на поверхности земли, а не под землей.

Тем временем исследователи из других стран также не сидят сложа руки. Нейтринная лаборатория Садбери в Канаде была коренным образом переоборудована, сейчас в ней готовится несколько новых экспериментов. Эта подземная лаборатория, которая теперь называется SNOLAB, увеличилась в четыре раза. В Японии планируется построить Hyper-Kamiokande, нейтринный детектор в десять раз крупнее Super-Kamiokande. Европейцы готовят новые эксперименты в лаборатории Гран-Сассо в Италии, а также проектируют гигантский подземный детектор LAGUNA.

Наступает новая удивительная эпоха охоты на нейтрино. Ученые горячо обсуждают создание новых исследовательских инструментов, интерес к которым за последние 15 лет значительно вырос. «Лаборатории с новыми возможностями почти всегда приводят нас к неожиданным открытиям», – считает Кайзер. В качестве подтверждения этому он напоминает, что детектор Kamiokande изначально строился для проверки гипотезы о том, имеют ли протоны период полураспада, который должен значительно превышать возраст Вселенной. Никаких доказательств распада протонов пока не обнаружено, однако эксперимент позволил выявить дефицит солнечных нейтрино и впервые уловить нейтрино, прилетевшие на Землю из-за пределов Солнечной системы, а именно – от сверхновой 1987А. Кроме того, детектор Kamiokande сыграл важную роль в открытии осцилляций нейтрино. «Физика нейтрино гораздо богаче, чем мы могли предполагать», – заявляет Георг Раффельт.

Нейтрино, донельзя застенчивые частицы, впервые описанные восемьдесят с лишним лет назад Вольфгангом Паули, стремившимся преодолеть кризис в квантовой теории, могут дать начало восхитительной новой главе в истории современной физики, не говоря уже о зарождающихся возможностях практического применения этих частиц в геологии и ядерном мониторинге. Открытия современных охотников за нейтрино вполне могут основательно изменить многие наши представления о Вселенной, о микромире и мегамире, а возможно – положить конец нашим теориям, касающимся космологии и физики частиц. Действительно, стоит присмотреться к нейтрино, так как они могут указать нам путь в будущее. Лучше всего эту идею выразила Линдли Уинслоу из Массачусетского технологического института: «Если во Вселенной происходит что-нибудь по-настоящему интересное, то в этом обычно замешаны нейтрино».

На самом деле нейтрино не раз обескураживали и удивляли теоретиков, озадачивали маститых экспериментаторов, а также неизменно увлекали любых ученых своей странной и неуловимой природой. Прошло уже немало времени с тех пор, как Паули скрепя сердце решился на «отчаянную попытку», а Энрико Ферми дал нейтрино такое ласковое название. Поначалу изучение нейтрино шло очень медленно. После гипотезы Паули минуло почти четверть века, прежде чем Фред Рейнес и Клайд Коуэн впервые смогли поймать эту призрачную частицу. Рэй Дэвис и Джон Бакал корпели над тайной дефицита солнечных нейтрино в течение тридцати лет. Несмотря на блестящие озарения Бруно Понтекорво, высказанные им уже очень давно, физики не могли экспериментально подтвердить изменчивость нейтрино вплоть до конца XX в. Но в последние годы темп исследований, связанных с нейтрино, сильно ускорился. Изучая осцилляции, при которых эти частицы меняют аромат, исследователи впервые убедились, что физика не ограничивается Стандартной моделью. При помощи сложнейших компьютерных моделей физики-теоретики постепенно приходят к пониманию важнейшей роли, которую нейтрино играют при гибели массивных звезд. Физики-экспериментаторы вооружились высокочувствительными детекторами и ждут ближайшего взрыва сверхновой в нашей Галактике – желательно, не слишком далеко от Земли. Другие исследователи применяют нейтрино для зондирования земных недр и разрабатывают на основе нейтрино новые методы ядерного мониторинга. Наконец мы вот-вот сможем проверить гипотезу Этторе Майораны о том, что нейтрино могут не отличаться по свойствам от антинейтрино. Если это действительно так, то мы разгадаем великую тайну о тотальном преобладании вещества над антивеществом в нашей Вселенной. Охотники за нейтрино приближаются к следующему грандиозному рубежу в своей эпической одиссее.