Глава 9
Мега-детекторы: поиск неуловимого нейтрино
Из трех основных типов радиоактивного распада – альфа, бета и гамма – один странно отличался от других. Бета-распад беспокоил физиков с начала 1900-х годов, поскольку казалось, что он нарушает один из основополагающих законов физики. Разгадка тайны бета-распада заняла более 50 лет и потребовала от физиков провести серию экстраординарных подземных экспериментов, чтобы найти теоретическую новую частицу, которую, по мнению ведущих экспертов, невозможно обнаружить. Этой частицей было нейтрино: самая распространенная, но самая неуловимая частица во Вселенной.
С начала 1900-х годов эксперименты показали, что при бета-распаде образуются электроны с диапазоном самых различных энергий. В то время это не вызвало особого беспокойства, но после открытия атомного ядра у физиков возникли вопросы. Когда элемент подвергается бета-распаду, он не остается неизменным: элемент смещается на одно место вправо в периодической таблице. Это совсем не то же самое, что потерять электрон с атомной орбиты, поскольку это изменит только электрический заряд атома, а не тип атома. При бета-распаде ядро излучает электрон. Детальные измерения Джеймса Чедвика и его коллег показали, что бета-частицы имеют непрерывный характер энергий, варьирующийся от очень малой до практически максимальной энергии, по-видимому, случайным образом. Это проблема совершенно иного уровня: бета-распад нарушает самые основные принципы физики.
В атоме, подвергающемся бета-распаду, сначала присутствует один объект – атом. Далее два объекта – атом и электрон. Закон сохранения импульса, диктует, что кинетическая энергия, уносимая «снарядами» в простой системе из двух тел, подобной этой, должна принимать предсказуемое уникальное значение. Альфа– и гамма-излучения подчиняются этому закону, но при бета-излучении энергии случайны и непредсказуемы. Нарушение такого фундаментального научного принципа – верный признак того, что ваш эксперимент не удался или ваши измерения неверны. И все же, как бы ученые ни старались, любой, кто проводил такой эксперимент, не находил верного ответа.
У каждого физика было свое мнение на этот счет. Некоторые, как Нильс Бор, намеревались отказаться от идеи сохранения импульса или, по крайней мере, обойти ее, предположив, что в крошечных атомных масштабах энергия сохраняется только в среднем, а не при каждом отдельном распаде. Однако один теоретик, Вольфганг Паули, не смог так просто отказаться от этой тайны. Паули был хорошо известен своим критическим и рациональным подходом, так что ему даже дали прозвище «бич Божий». Его не устроило предложение голландско-американского физика Петера Дебая, который на встрече в Брюсселе предложил просто не думать о бета-распаде вообще. Паули был полон решимости придерживаться закона сохранения импульса и сумел найти теоретическое решение, но, к его ужасу, это сделало ситуацию еще хуже. «Я совершил ужасный поступок, – говорил он. – Я постулировал частицу, которую невозможно обнаружить».
Паули впервые изложил свою идею другим физикам в письме 1930 года. Возможно, предположил он, энергию уносит крошечная электрически нейтральная частица? Паули счел это настолько нелепым, что, как он писал своим адресатам, «он не смеет ничего публиковать» на эту тему и сначала обратится к своей «дорогой группе радиоактивных» и спросит, насколько вероятно найти экспериментальные доказательства существования такой частицы. Проблема, как хорошо знал Паули, заключалась в том, что такая частица, по прогнозам, не имеет массы и электрического заряда, что делало практически невозможным ее обнаружение в эксперименте.
В 1933 году идея Паули была воплощена в теории бета-распада Энрико Ферми, итальянского физика, которого уважали как за его теоретические, так и за экспериментальные навыки. Ферми назвал новую частицу нейтрино, или «нейтрончик», и представил теорию в журнале Nature. Ее отклонили на том основании, что в ней «содержались предположения, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя». Год спустя в Манчестере физики Рудольф Пайерлс и Ханс Бете подсчитали, что нейтрино, образующиеся при бета-распаде, могут проходить через всю Землю, никак не взаимодействуя с материей. Фактически они могут пройти через свинец толщиной, измеряемой в световых годах. Теоретически нейтрино могло бы решить проблему бета-распада, но какая польза от частицы, если ее невозможно обнаружить, а потому нельзя и проверить? Еще многие годы экспериментаторы так или иначе игнорировали нейтрино.
Все так и продолжалось еще в течение двух десятилетий. Наконец, в 1950-х годах тридцатитрехлетний физик решил заняться неуловимым нейтрино. Этим человеком был Фред Райнес, родом из маленького городка Нью-Джерси. Он едва закончил свою докторскую, когда начал работать над теоретической частью Манхэттенского проекта, и продолжал работать в Лос-Аламосе после войны. Интерес Райнеса к физике пригодился правительству, но, как и в случае многих его коллег, война использовала его знания для работы над атомным оружием. Райнес решил, что пришло время заняться чем-то более фундаментальным для физики. Спустя несколько недель, проведенных в офисе, он понял, что единственная идея, которая постоянно возвращается к нему, – это поиск нейтрино.
Как создать источник нейтрино? Как их обнаружить? Если бы Райнес построил правильный детектор, возможно, он смог бы доказать их существование. Быстрый расчет подсказал ему, что даже если бы он смог придумать необходимый детектор, вероятность взаимодействия нейтрино настолько мала, что детектор должен быть огромным. Лучше всего подошла бы какая-нибудь жидкость, но самые большие жидкостные детекторы в те дни были объемом около литра. (Это был 1951 год, и пузырьковая камера Дональда Глазера только создавалась, хотя она все равно не могла непосредственно обнаружить нейтрально заряженные нейтрино). Как сделать детектор с объемом в тысячу раз больше того, что считалось самым современным? Энрико Ферми тоже понятия не имел, как. А уж если Ферми не может это сделать, как может кто-то другой? Это казалось невозможным, и на какое-то время Райнес отложил идею в сторону.
Вскоре после этого он застрял в аэропорту Канзас-Сити из-за неисправности двигателя самолета. Его коллега из Лос-Аламоса, Клайд Коуэн, тоже застрял. Коуэн был инженером-химиком и бывшим капитаном ВВС США и во время войны служил офицером связи. Там, где Райнес был искрометным экстравертом, Коуэн был более сдержанным, менее общительным, но блестящим экспериментатором. Они вдвоем бродили по аэропорту и беседовали, и когда Райнес предложил свою идею поиска нейтрино, Коуэн тут же за нее ухватился. Они решили отправиться на поиски нейтрино просто потому, что все говорили, что это невозможно. Их менеджеры в Лос-Аламосе согласились на диковинное предложение, и так родилось новое сотрудничество.
При запуске проекта в 1951 году была сделана фотография Райнеса и Коуэна с их командой из пяти человек, окруживших на лестничной клетке картонную вывеску. На ней был нарисованный от руки логотип с вытаращенным глазом и надпись «Проект “Полтергейст”». За вывеской один из участников зачем-то держал большую метлу. Все они в приподнятом настроении, как и следовало ожидать: их предложенный эксперимент включал в себя строительство огромного резервуара, наполненного чрезвычайно хорошо отфильтрованными и подготовленными жидкостями, тонкую электронику и надежду, что они смогут поймать частицу, считающуюся почти неуловимой.
Райнес и Коуэн изучили теорию нейтрино Ферми, которая гласила, что нейтрино невероятно редко взаимодействует с веществом, поэтому их первый шаг – найти что-то, что могло бы обеспечить как можно больше нейтрино. Хотя каждое нейтрино может пройти долгий путь через материю, статистически, если бы их было достаточно, некоторые из них могли бы случайно взаимодействовать с ядром на пути через детектор. Первая идея физиков заключалась в поимке нейтрино от атомной бомбы, но вскоре они поняли, что новая технология ядерных реакторов предлагает куда менее опасную альтернативу. По расчетам ядерный реактор должен производить огромный поток 10 тыс. млрд (1013) нейтрино в секунду на квадратный сантиметр. Не так много, как ядерное оружие, но все же реактор – постоянный источник, который мог производить нейтрино в течение очень длительного периода времени.
Райнес и Коуэн сосредоточили свое внимание на поиске реакции, предсказанной теорией Ферми, в которой протон захватывает нейтрино, превращаясь в нейтрон и испуская позитрон. В результате этого процесса ожидалась двойная сигнатура от нейтрино. Во-первых, позитрон аннигилировал бы электрон, создавая вспышку гамма-лучей, которая была бы контрольным признаком того, что нейтрино посетило детектор. Вторая часть сигнала должна исходить от появляющегося нейтрона, который будет поглощен ядром и испустит гамма-излучение примерно пять микросекунд спустя. Что действительно было нужно проекту «Полтергейст», так это система, способная уловить две вспышки гамма-излучения с интервалом в пять микросекунд. Ученые надеялись, что этот сигнал позволит отличить нейтрино от космического луча или другого фонового шума.
Выяснив, что они ищут, Райнес и Коуэн сконструировали детектор. Здесь в игру вступили два последних технологических достижения. Первым было открытие того, что некоторые прозрачные органические жидкости излучают видимый свет, когда через них проходит гамма-луч или заряженная частица. Такой «жидкий сцинтиллятор» выдает небольшие вспышки, которые затем можно уловить с помощью другого хитроумного изобретения – фотоэлектронного умножителя. Эти вакуумные трубки немного похожи на длинные электрические лампочки, заполненные электроникой. Когда вспышка света попадает на переднюю часть одной из этих вакуумных ламп, она преобразуется в поток электронов (благодаря фотоэлектрическому эффекту, описанному в главе 3), вследствие усиления которого возникает электрический импульс, достаточно мощный для того, чтобы его можно было измерить с помощью электроники. Фотоэлектронные умножители должны были стать глазами эксперимента. Как вы можете видеть, здесь требовались знания не только физики, но также химии и электроники.
Команда попыталась разработать полностью электронный метод измерения. Больше не было необходимости анализировать миллионы фотографий, как в облачной или пузырьковой камере. Если нейтрино действительно провзаимодействуют в жидком сцинтилляторе, трубки уловят определенную последовательность вспышек и отобразят их в виде вспышек на осциллографе. Время между импульсами подтвердило бы присутствие нейтрино.
Недостаток электронных измерений заключался в том, что сами ученые были несколько отстранены от происходящего в эксперименте. Сложно интуитивно понять данные, когда все, на что нужно смотреть, – это несколько вспышек. Любая вспышка гамма-излучения в детекторе с последующей случайной вспышкой через пять микросекунд может обмануть физиков, заставив их думать, что они видели нейтрино. Надо было убедиться, что этого не произойдет, но был только один способ сделать это: удалить все другие возможные источники радиации из окружающей среды. Теперь началась по-настоящему тяжелая работа.
Рабочее место Райнеса и Коуэна представляло собой похожее на склад здание, изолированное и неотапливаемое. Постоянно прибывали грузовики с деталями для эксперимента, а коробки забивали помещение так, что чуть ли не вдвое превышали рост физиков. Команда потратила месяцы на тестирование различных смесей сцинтиллятора и измерение отклика фотоэлектронного умножителя, чтобы убедиться, что электроника исправна. Зимой отсутствие отопления тоже оказалось некстати, так как температура жидкости для сцинтиллятора должна поддерживаться выше 16 градусов по Цельсию, чтобы жидкость не мутнела и не портила эксперимент. Команда установила электрические обогреватели, чтобы поддерживать необходимую температуру своих реагентов, но обеспечить тепло для себя им не позволяли счета за электричество.
Первая версия детектора собралась в прототип, получивший название «Эль Монстро». Когда все, казалось, работало, команда построила второй детектор, который назвала «Герр Ауге», или «Мистер Глаз». Это были уже далеко не литровые детекторы: теперь объем емкости составлял 300 литров, и ее окружали 90 фотоэлектронных умножителей.
Затем команда приступила к титанической задаче устранения источников излучения, которые производили случайные гамма-лучи в детекторе. Некоторые источники были очевидны и предсказуемы: нейтроны, исходящие из ядерного реактора, можно было блокировать толстым слоем парафина. На эту защиту не было потрачено практически ничего: команда изготовила парафиновые блоки самостоятельно, расчистив снег снаружи здания и отливая каждый блок вручную, чтобы затем отправить его к реактору.
Другие источники радиации удалить было труднее, поскольку «Герр Ауге» улавливал излучение, которого не улавливали счетчики Гейгера и другие приборы. «Герр Ауге» оказался лучшим детектором гамма-лучей, который когда-либо существовал. Он был настолько чувствителен, что ученые даже решили спустить в него нескольких членов команды, чтобы посмотреть, обнаруживает ли детектор излучение от человеческого тела. В результате была обнаружена легко детектируемая скорость счета, обусловленная содержанием небольшого количества радиоактивного калия-40 в организме их секретаря и коллег. Такая чувствительность была команде на руку: они поняли, что детектор может помочь в построении самого себя.
Перед постройкой каждой новой детали они помещали ее в «Герр Ауге» для измерения уровня радиоактивности. Латунь и алюминий оказались радиоактивнее железа и стали. Даже калий в стекле фотоэлектронного умножителя вносил свой вклад в фоновый шум. В физической структуре детектора были обнаружены некоторые радиоактивные компоненты, которые пришлось разобрать и заменить. В каждом случае команда кропотливо заменяла любой материал, производящий фоновый шум. Это может показаться крайним уровнем совершенства, но ученым нужно было быть уверенными в источнике буквально каждой вспышки фотона в их детекторе, и, как оказалось, таких источников было много.
После нескольких месяцев работы все было готово. Детектор перевезли и установили рядом с ядерным реактором в Хэнфорде, штат Вашингтон. Затем физики стали ждать. Они знали, что не будет никакого «Ага!» – только постепенное накопление отдельных событий, которые они проанализируют, когда соберут достаточно данных. В течение нескольких месяцев члены команды сменяли друг друга, ожидая и наблюдая, пока их система бесшумно работала в своем сильно экранированном корпусе.
Когда команда перегруппировалась и проанализировала данные, были замечены какие-то вспышки света, соответствующие нейтрино. Соблазнительные результаты, но еще не убедительные. В данных все еще было слишком много шума, чтобы можно было объявить об открытии. Шум исходил не от искусственного излучения или материалов детектора, а от космических лучей. Столько работы проделано по снижению излучения, но оставалось устранить последний источник… Был только один возможный способ защитить свой эксперимент от излучения, поступающего из космоса: надо перенести его под землю.
К счастью, в Саванна-Ривер, ядерном могильнике в Южной Каролине, нашлось свободное место в подвале, и владелец разрешил физикам провести свой эксперимент на глубине 12 метров. К Райнесу и Коуэну присоединились еще несколько коллег из Лос-Аламоса, и все вместе они взялись перестраивать весь детектор.
К концу 1955 года проект «Полтергейст» был официально известен как «Нейтринный эксперимент в Саванна-Ривер». Установка превратилась в трехслойный сверкающий сэндвич с прямоугольными резервуарами, весящими колоссальные 10 тонн. Детектор находился под реактором, окутанный слоями экранирования, в то время как электронные кабели передавали сигналы на трейлер снаружи.
Райнес и Коуэн оставались в Саванна-Ривер около пяти месяцев. Как только химия и электроника были готовы, все свелось просто к тщательному сбору данных, вспышка за вспышкой. Каждый раз, когда хотя бы раз или два раза в час случился «блип-буп» двух вспышек с интервалом в пять микросекунд, ученых переполняла надежда, которая так и шептала: «Нейтрино…»
Ученые были полны решимости убедиться, что им не показалось. Ничто не было оставлено на волю случая. Они протестировали детектор с помощью источника позитронов, чтобы убедиться, что свет, испускаемый позитроном, дает тот самый «блип» на экране, а затем проверяли источник нейтронов, чтобы убедиться, что он дает ожидаемый «буп». Они полностью откачали сцинтилляционную жидкость, повторно откалибровали смесь, чтобы изменить время второй световой вспышки, и это дало желаемый эффект. За все это время они записали данные за 900 часов, когда реактор был включен, и 250 часов, когда он был выключен.
В конечном итоге, чтобы быть полностью уверенными, что они не просто видят фоновые нейтроны от реактора, они привезли грузовики мешков с песком с местной лесопилки и пропитали мешки водой. Один за одним сотрудники притащили их к установке и соорудили вокруг детектора стены толщиной в 1,2 метра. Это обеспечило достаточную дополнительную защиту, чтобы блокировать любые нейтроны реактора. И вот снова эти две заветные вспышки, те самые «блип-буп». Нейтринный сигнал сохранялся.
Момент эврики наступил не в спешке, а в постепенном накоплении данных до тех пор, пока не осталось никаких сомнений. Когда все было суммировано, нейтринных сигналов оказалось в пять раз больше при включенном реакторе по сравнению с тем, когда он был выключен. Команде удалось, несмотря ни на что, разработать систему, которая из 100 триллионов (1014) нейтрино, испускаемых реактором каждую секунду, могла улавливать несколько нейтрино каждый час и измерять их взаимодействие. 25 лет спустя после того, как Паули предсказал существование частицы, которую невозможно обнаружить, Райнес, Коуэн и их команда достигли невозможного.
«Мы рады сообщить вам, что мы определенно обнаружили нейтрино», – написали они в телеграмме к Паули, который тогда прервал совещание в ЦЕРН, на котором он присутствовал, прочитал телеграмму вслух и выступил с импровизированной мини-лекцией. Согласно легенде, позже Паули выпил со своими друзьями целый ящик шампанского, что может объяснить, почему его ответная телеграмма так и не дошла до Райнеса и Коуэна. Телеграмма гласила: «Все приходит вовремя к тому, кто умеет ждать».
Неуловимое нейтрино наконец-то было найдено, а закон сохранения импульса соблюдался даже в самом малом масштабе, объясняя процесс радиоактивного бета-распада. Нейтрино было не просто плодом теоретического воображения, а реальным и осязаемым: неуловимой, нейтральной, легкой частицей, способной беспрепятственно путешествовать в самые глубокие уголки Вселенной. Открытие нейтрино привело к совершенно новым областям исследований.
После первого обнаружения возникало все больше и больше вопросов о нейтрино. Каковы их свойства? Существует только один тип нейтрино или несколько? Они стабильны или имеют ограниченный срок жизни? В ходе каких процессов во Вселенной они появляются? Как и многие эксперименты, которые мы видели, проект «Полтергейст» породил лавину новых вопросов, и со временем на большинство – но не на все – из них были даны ответы. Неуловимое нейтрино оказалось куда важнее, чем считалось ранее. Оно не просто помогло нам понять радиоактивный распад, оно подарило нам новый взгляд на Солнце, сверхновые и происхождение материи.
Растущее значение и богатство этой области исследований можно увидеть по признанию Нобелевского комитета. В области физики нейтрино были присуждены три Нобелевские премии – и все намного позже первоначального эксперимента. Первая премия досталась в 1995 году Райнесу спустя десятилетия после их открытия (Коуэн, к сожалению, скончался тринадцатью годами ранее), вторая – Рэю Дэвису и Масатоси Косибе в 2002 году, а третья – Такааки Кадзите и Артуру Макдональду в 2015 году.
Первоначальный поиск нейтрино был мотивирован загадкой бета-распада, и предположение Паули о нейтрино появилось в 1933 году, всего через год после открытия Чедвиком нейтрона. Теперь мы можем объединить эти идеи, чтобы лучше понять, что происходит в атомном ядре во время бета-распада: нейтрон превращается в протон, изменяя тип элемента и высвобождая электрон (чтобы сбалансировать электрический заряд) и нейтрино. Нейтрино уносит часть энергии в ходе этой реакции, разделяя общую доступную энергию с электроном, именно поэтому энергия электронов была непредсказуемой. Ни электрон, ни нейтрино не существуют до распада. Кусочки головоломки начали складываться воедино. Но тут же второй эксперимент снова сбил физиков с толку…
Когда нейтрино было впервые обнаружено в середине 1950-х годов, физики только начинали понимать, что Солнце – это ядерная печь, вырабатывающая свою энергию посредством цепочек термоядерных реакций, называемых протон-протонным циклом или рр-циклом, в несколько этапов превращающим протоны в гелий. Если теории о Солнце верны, огромное количество нейтрино должно вылетать прямо из Солнца почти со скоростью света, достигая Земли где-то через восемь минут.
У радиохимика из Брукхейвена Рэя Дэвиса была фора еще за год до первого нейтринного эксперимента Райнеса и Коуэна. Дэвис не искал вспышки света. Он проверял идею, выдвинутую другим теоретиком, Бруно Понтекорво, который предсказал, что нейтрино, взаимодействуя с атомом хлора, приведет к образованию радиоактивного атома аргона. Дэвис специализировался в области радиохимии: если кому и суждено было найти пару отдельных радиоактивных атомов аргона, так это ему.
Эксперимент Дэвиса по обнаружению нейтрино основывался на использовании огромных емкостей с жидкостью для химчистки – дешевой и легкодоступной, содержащей хлор. Он начал с 3800 литров и постепенно повышал емкость. Несмотря на свое преимущество, Дэвис упустил возможность первым обнаружить нейтрино, потому что ядерные реакторы – и бета – распад – на самом деле производят эквивалент частицы из антивещества, антинейтрино, которое и обнаружили Коуэн и Райнес. Эксперимент Дэвиса, однако, был способен улавливать только «обычный» вид нейтрино. Хотя Коуэн и Райнес опередили его, со временем Дэвис переключил свое внимание на обнаружение нейтрино не от реакторов, а от Солнца. Это решение оказалось ключевым: физика нейтрино перестала рассматриваться как любопытный побочный эффект бета-распада и стала полноправной областью исследований физики элементарных частиц.
Дэвис сотрудничал с молодым физиком-теоретиком Джоном Бакалом, который провел сложные расчеты, чтобы предсказать скорость образования солнечных нейтрино. К 1964 году они опубликовали статьи со своими планами. Они были уверены, что смогут улавливать солнечные нейтрино, возможно, по 10 или 20 штук в неделю, но для этого потребуется эксперимент в 100 раз больший, чем их и без того огромная версия, – перспектива настолько амбициозная, что она попала в журнал Time еще до того, как была профинансирована.
В 1965 году в глубине шахты Хоумстейк в Южной Дакоте была вырыта огромная пещера. В ней команда Дэвиса и Бакала соорудила резервуар объемом 380 тысяч литров и наполнила его жидкостью для химчистки, привезенной на 10 железнодорожных вагонах. Благодаря невероятной настойчивости и тщательно проделанной химической работе этот титанический труд окупился. Собрав несколько десятков радиоактивных атомов аргона, Дэвис смог доказать существование солнечных нейтрино. Проблема заключалась в том, что он нашел только примерно треть от того числа нейтрино, которое предсказал Бакал. Они проверили расчеты, но не нашли никаких ошибок. Дэвис вернулся к работе и продолжал собирать данные еще почти 20 лет. Все это время загадка оставалась неразрешенной: наблюдалось странная нехватка солнечных нейтрино.
Проблема солнечных нейтрино поставила вопрос: были ли расчеты неверными? Неужели физики неправильно поняли, как Солнце вырабатывает энергию? Или же тут что-то не так с нейтрино? Неужели Солнце перестало вырабатывать энергию, и мы, напрямую зависящие от нее, в опасности? В конце концов на первый план вышла теория о том, что нейтрино превращались во что-то другое или исчезали между Солнцем и Землей. Идея, что нейтрино ведут себя таким довольно странным образом, была предложена Понтекорво еще в 1957 году, но долгое время не воспринималась всерьез. Именно этот вопрос побудил Арта Макдональда и около 100 других сотрудников построить Нейтринную обсерваторию в Садбери (SNO – Sudbury Neutrino Observatory).
Макдональд, родом из Новой Шотландии в Канаде, рано заинтересовался математикой и физикой, а затем получил докторскую степень по ядерной физике в Калтехе в 1969 году. Он оставил профессорскую должность в Принстоне, чтобы вернуться в Канаду в 1989 году и руководить SNO. Под его руководством SNO был построен на глубине более чем в 2 км под землей в никелевой шахте в Онтарио. Этот грандиозный эксперимент под управлением 100 коллег Макдональда проводился с 1999 по 2006 год. Такааки Кадзита провел аналогичный эксперимент под названием «Супер-Камиоканде» в цинковой шахте в Японии. Эти два опыта приведут к получению общей Нобелевской премии по физике в 2015 году.
SNO – это, по сути, огромное подземное стерильное помещение. К счастью, вы можете посетить его виртуально, избавив себя от неудобств реального посетителя или ученого, который должен принять душ, переодеться, а затем пройти через воздушный душ, чтобы грязь из шахты не попала в чувствительное оборудование. Внутри все кажется довольно аскетичным: просто голые останки шахты, превращенной в лабораторию. Диспетчерская состоит из пяти компьютерных мониторов на нескольких столах, расположенных рядом с несколькими стеллажами, забитыми оборудованием. Кабельные лотки и трубы уходят высоко вверх по стене. Если бы не порода, можно было бы забыть, что эксперимент проводится на глубине почти в 2000 метров под землей. Табличка на стене напоминает ученым: «Безопасность и качество. Всегда». Посетители могут виртуально пройти из диспетчерской по коридору и через помещение, полное оборудования. Затем они попадают к самому детектору.
Практически подвешенные внутри пустого детектора, вы чувствуете себя так, словно попали в вывернутый наизнанку зеркальный шар. Со всех сторон вас окружают 9600 фотоэлектронных умножителей золотистого цвета. Даже через экран компьютера калейдоскопическая красота гигантской – диаметром 12 метров – геодезической сферы захватывает дух. Мужчина, одетый в синий комбинезон и оранжевую каску и стоящий напротив, кажется почти карликом на фоне установки. Виртуальная экскурсия проводилась, когда детектор был пуст, но обычно все эти золотые детекторы должны были играть роль глаз, вглядывающихся в тысячи тонн тяжелой воды, позаимствованной у канадского парка ядерных реакторов, стоимостью в баснословные 300 млн канадских долларов.
Самая дикая идея оказалась правильной. Существует три типа нейтрино, и все они объясняются нейтринными осцилляциями: то есть нейтрино, рожденное как, скажем, электронное нейтрино, колеблется между своим исходным состоянием и двумя другими типами – мюонными нейтрино и тау-нейтрино. Эксперимент Дэвиса был чувствителен только к электронным нейтрино, поэтому солнечные нейтрино других типов оставались незамеченными, объясняя нехватку двух третей предсказанного количества. Первое доказательство этой идеи пришло от японского детектора Кадзиты «Супер-Камиоканде» в 1998 году, состоящего из 50 000 тонн сверхчистой воды в резервуаре на глубине 1000 метров под землей, где 13 000 фотоэлектронных умножителей отслеживали вспышки света, возникающие непосредственно в результате взаимодействия нейтрино. Результаты Кадзиты подтвердили идею о том, что атмосферные нейтрино, создаваемые космическими лучами, в полете переходят из одного типа в другой. Это все еще не совсем решило проблему солнечных нейтрино, поскольку ученые не рассматривали нейтрино, исходящие от Солнца. Наконец, 18 июня 2001 года Арт Макдональд и команда SNO объявили, что их красивый детектор золотистого цвета продемонстрировал наличие нейтринных осцилляций, разгадав тайну пропавших солнечных нейтрино, которые Рэй Дэвис наблюдал почти пятьдесят лет назад.
После церемонии вручения Нобелевской премии в Стокгольме в 2015 году Макдональд посетил многие институты, которые сделали эту победу возможной. Среди них был Оксфорд, где он праздновал вместе со своими многочисленными коллегами в отделанной деревянными панелями столовой Мэнсфилд-колледжа. Хотя я не занимаюсь физикой нейтрино, мне посчастливилось присутствовать на этом мероприятии. Между основным блюдом и десертом Макдональд взял слово. «Никто не сталкивается с нейтрино в повседневной жизни, – сказал он. – Может быть, однажды нейтрино изменит один из ваших атомов, и вы даже не узнаете об этом». Теперь мы знаем, что нейтрино – это самая распространенная частица во Вселенной, которая нам известна. Десятки миллиардов из них проходят через вас каждую секунду, но их очень-очень трудно обнаружить. SNO – это невероятный пример того, на что физики элементарных частиц готовы пойти, чтобы понять такие неуловимые частицы, как нейтрино.
Благодаря экспериментам Макдональда и Кадзиты мы теперь знаем, что нейтрино могут менять тип с течением времени и расстояния. Все это кажется очень странным. Возможно, лучшая аналогия, которая описывает это явление, была предложена Эмили Коновер из Чикагского университета, которая сравнивала нейтрино с Золушкой, отправляющейся на бал в своей карете. Она начинает свой путь в чем-то, что определенно похоже на карету, но чем ближе она к дворцу, тем выше вероятность, что ее карета превратится в тыкву. В терминах квантовой механики мы можем сказать, что карета одновременно является и тыквой, и каретой, и все зависит от того, на каком участке траектории вы ее наблюдаете. Если бы Золушка путешествовала на электронном нейтрино, есть шанс, что к тому времени, когда она доберется до бала (или детектора), она окажется на мюонном или тау-нейтрино.
Эти осцилляции требует – с математической точки зрения, – чтобы у нейтрино была небольшая масса, но мы все еще не знаем, какое нейтрино самое тяжелое, и точно не знаем, какова масса каждого из них. У других частиц не наблюдаются осцилляции; по-видимому, это свойство характерно только нейтрино. Все, что мы знаем, – это то, что если сложить все три массы вместе, сумма будет все равно в миллион раз легче электрона. Мы не знаем, почему нейтрино такие легкие.
Нейтрино не участвуют в сильном или электромагнитном взаимодействии – только в слабом и гравитационном. С точки зрения нейтрино вещества вообще почти не существует, это всего лишь несколько электронов, вращающихся в пространстве. Из-за этого их очень трудно обнаружить, однако это также делает их ключевым инструментом для исследования слабого взаимодействия без помех со стороны электромагнитного и сильного взаимодействия. Со временем это понимание привело к созданию пучков нейтрино, приводимых в движение ускорителями частиц (пучки протонов создают пионы, которые затем распадаются на мюоны и нейтрино), и Нобелевской премии 1988 года Леона Ледермана, Джека Стейнбергера и Мелвина Шварца, которые первыми установили различия между электронными и мюонными нейтрино (третий тип, тау-нейтрино, был обнаружен в эксперименте 2000 года в Фермилабе).
Сегодня мы также знаем о других необычных свойствах нейтрино, которые, по-видимому, отличают их от всех других частиц. Например, большинство частиц могут быть «левыми» или «правыми», но все нейтрино – левые, а все антинейтрино – правые. Хиральность частиц означает направление их вращения и то, как оно соотносится с направлением движения частицы. Сожмите руки в кулаки: даже если вы направите большие пальцы в одном направлении (направлении движения), то пальцы левой и правой рук будут изогнуты в противоположных направлениях – это сродни хиральности частицы.
Мы так и не выяснили, почему нейтрино не могут быть как левыми, так и правыми. Что мы знаем точно, так это то, что во Вселенной существует множество источников нейтрино. В 1987 году в результате многочисленных экспериментов были обнаружены нейтринные всплески сверхновой, что дало начало новой области нейтринной астрономии. В звезде фотоны света постоянно взаимодействуют, поглощаясь и переизлучаясь атомами. Фотонам может потребоваться 100 тысяч лет, чтобы добраться от ядра звезды до поверхности. Однако нейтрино беспрепятственно улетают в космос, позволяя нам заглянуть в сердце Солнца и сверхновых звезд, чего не могут другие частицы. За пределами нашей галактики в космосе создаются чрезвычайно высокоэнергетические частицы, и весьма вероятно, что нейтрино однажды станут посланниками, которые научат нас, как работают эти космические ускорители частиц. Возможно, мы даже сможем скопировать этот механизм в лабораториях на Земле.
Нейтрино образуются и гораздо ближе к нам. Бета-распад происходит также в недрах Земли, производя антинейтрино. Детектор Борексино – эксперимент, предназначенный для поиска таких геонейтрино (наряду с солнечными нейтрино), – расположен в лаборатории в глубине горного массива в Гран-Сассо, Италия. Общими усилиями 100 физиков из Италии, Соединенных Штатов, Германии, России и Польши пытаются выяснить, какая часть тепла Земли приходится на радиогенное тепло, которое выделяется в недрах планеты в результате радиоактивного распада в основном таких элементов, как калий-40, торий-232 и уран-238. Найти ответ на этот вопрос невероятно важно для геологов, поскольку тепло управляет почти всеми динамическими процессами на Земле, от вулканов до землетрясений, и эти эксперименты дали толчок совершенно новой области исследований – нейтринной геофизике.
Помимо интересных новых областей науки и увлекательных вопросов, в настоящее время мы не имеем прямого применения нейтрино в нашей повседневной жизни. Когда я намеревалась писать о проекте «Полтергейст» и его последователях, я знала, что на этом этапе мне придется это признать. Но все же нейтрино настолько важны для общей истории физики элементарных частиц, что не написать о них было бы непростительно.
Нейтрино – классический пример исследований, движимых любопытством, которые, по-видимому, не имеют никакого практического применения. По сравнению с быстрым электроном, который взаимодействует с веществом посредством электромагнитной силы, или нейтроном, который взаимодействует с атомными ядрами посредством сильного ядерного взаимодействия, беззарядное и почти безмассовое нейтрино похоже на едва заметное облачко частицы, которая почти ни с чем не вступает в контакт. Тем не менее, оглядываясь на уже знакомые нам эксперименты, мы понимаем, что не всегда очевидно, какое применение найдет то или иное открытие.
Многие открытия, которые мы уже видели, были преждевременными по сравнению с технологиями того времени: поначалу синхротронное излучение не казалось полезным, как и электрон. Фотоэлектрический эффект использовался лишь отчасти на протяжении десятилетий. Ускорители частиц изобретались не для получения медицинских изотопов или лечения рака. Никто не ждал этих открытий с нетерпением, кроме физиков, которые их совершали, и даже тогда открытия не всегда были преднамеренными. Хотя вполне вероятно, что нейтрино никогда не будут столь же непосредственно полезны, как электроны, знания, которые мы почерпнули из них, важны, и – что кажется невероятным – в разработке есть несколько возможных применений.
На шахте Боулби на севере Англии Британия совместно с Соединенными Штатами в настоящее время проводит новый эксперимент под названием WATCHMAN (от англ. WATer CHerenkov Monitor of ANtineutrinos – Черенковский водный детектор антинейтрино). Проект будет использовать детектор нейтрино для дистанционного мониторинга ядерных реакторов путем обнаружения создаваемого этими реакторами потока нейтрино. Этот проект мог бы внести уникальный вклад в мировую безопасность, предоставив надежный способ проверить, соблюдаются ли договоры о нераспространении ядерного оружия. Поскольку нейтрино трудно остановить, скрыть действующий ядерный реактор от такого детектора не получится.
Нейтрино также могут косвенно помочь нам перейти от использования ископаемого топлива и ядерных реакторов деления к управляемому термоядерному синтезу, чтобы в будущем иметь обильный, безопасный и низкоуглеродный источник электричества. Термоядерные реакторы воссоздают ядерные реакции, подобные тем, которые происходят на Солнце, но не способные «выйти из-под контроля», однако для запуска подобных технологий мы должны быть абсолютно уверены в нашем понимании ядерной физики. Отчасти это понимание пришло из экспериментов с солнечными нейтрино Рэя Дэвиса, «Супер-Камиоканде» и SNO, которые доказали, что наша модель образования нейтрино на Солнце верна.
В будущем, возможно, найдутся прямые применения нейтрино и тем знаниям о них, которыми мы располагаем. Благодаря своей способности беспрепятственно преодолевать огромные космические расстояния почти со скоростью света, нейтрино могут даже однажды стать своего рода системой космической связи. Если на одной из тысяч открытых нами экзопланет существуют какие-то развитые цивилизации, то, вполне вероятно, они общаются друг с другом посредством нейтрино. Это больше похоже на научную фантастику, но в 2012 году нейтринный эксперимент под названием MINERvA (от англ. Main Injector Neutrino ExpeRiment to study v-A interactions – Эксперимент с нейтрино от главного инжектора для изучения v-A взаимодействий) в Фермилабе пытался это реализовать. С помощью протонного ускорителя двоичным кодом был закодирован пучок нейтрино, затем его отправили через полмили породы на детектор и успешно расшифровали. Подобная технология может быть полезна и на Земле – например, для подводных лодок, сообщающихся через воду, которая искажает радиоволны. С помощью нейтрино можно общаться не только через воду, но и напрямую через центр Земли.
Справедливо будет сказать, что мы еще не готовы использовать нейтрино и, возможно, никогда не будем готовы. Мы не можем предсказать будущее, но что мы можем сказать о нейтрино, так это то, что результат нашего стремления их понять внес косвенный, но глубокий вклад в нашу жизнь. Мы уже видели, что SNO располагалась в глубокой подземной лаборатории в Канаде, которая теперь переименована в SNOLAB. И глубоко под землей – не просто метафора. Находясь на глубине 2100 метров, лаборатория расположена в 20 раз глубже, чем Большой адронный коллайдер, о котором мы поговорим позже. Давление воздуха увеличивается на 20 % по мере того, как вы совершаете шестиминутный спуск в лифте. Найджел Смит, исполнительный директор SNOLAB до 2021 года, сравнивает это путешествие со спуском в самолете, но только в окружении скал.
В подземной лаборатории работают не только физики, изучающие элементарные частицы. Само ее создание открыло возможности многим другим областям науки. Столь глубокое расположение под Землей предоставляет уникальную среду, потому что лаборатория имеет невероятно низкий уровень фонового излучения от космических лучей. Стабильный, чистый подземный объект с таким низким уровнем радиации позволил осуществить широкую исследовательскую программу, направленную на изучение воздействия низких уровней радиации на клетки и организмы. Ни одно наземное животное никогда не жило – или, если уж на то пошло, не эволюционировало – без воздействия фонового излучения космических лучей, а потому эти эксперименты помогают биологам понять, что будет, если это излучение убрать. Это исследование крайне важно, потому что может дать ответ на вопрос о том, всегда ли радиация вредна для клеток и организмов, всегда ли она наносит ущерб или существует какой-то пороговый уровень радиации, который безвреден или, возможно, даже полезен для жизни.
Это могло бы рассказать нам больше о том, влияют ли на эволюцию случайные мутации, вызванные радиацией. Пока результаты, по-видимому, указывают на то, что низкий уровень радиации действительно нужен. Если дальнейшие эксперименты подтвердят эти данные, это будет иметь огромные последствия не только для людей и нашего взаимодействия с радиацией, но и для нашего понимания существования жизни в других частях космоса. Без глубоких подземных лабораторий мы просто не смогли бы провести такое исследование.
SNOLAB также является одним из лучших мест на (или в?) Земле для проведения экспериментов на квантовых компьютерах. Появляются доказательства того, что время декогеренции, то есть время, которое квантовый «бит» может хранить информацию до того, как ее потеряет, может быть ограничено естественным фоновым излучением на поверхности Земли. Возможно, в будущем потребуется запускать квантовые компьютеры под землей. На данный момент, по крайней мере, эти лаборатории предоставляют возможность проводить такие опытно-конструкторские работы.
Нейтрино называли призраком, вестником, космическим кораблем, сгустком пустоты. Начало его жизни было попыткой спасти основной закон физики, и со временем оно привело к огромным достижениям в астрономии, космологии, геологии и нашем самом фундаментальном понимании материи.
Теперь нейтрино – часть Стандартной модели физики элементарных частиц, но некоторые из их свойств – «левосторонность», наличие массы, изменение типа – показали нам, что должна существовать физика, выходящая за рамки Стандартной модели, которая, конечно же, вызывает бесчисленные вопросы. Почему у нейтрино есть масса? Являются ли нейтрино своей собственной античастицей? Одинаковы ли осцилляции нейтрино и антинейтрино, и если нет, то может ли это объяснить, почему мы видим во Вселенной больше вещества, чем антивещества? Оказывается, что нейтрино, каким бы крошечным оно ни было, во Вселенной в миллиард раз больше, чем материи, из которой состоят звезды, галактики и мы сами. Это повело экспериментаторов и теоретиков ко все большим высотам – или, скорее, глубинам, – чтобы разгадать его секреты. По иронии судьбы, доказав работоспособность одного основного закона, нейтрино теперь – один из богатейших источников пробелов в наших знаниях физики. Что еще раз подтверждает, сколь много нам предстоит узнать о Вселенной, частицах и силах.
