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

(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.