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

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

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

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

Брайан Кирби, аспирант из Университета Британской Колумбии (UBC) в Канаде, прибыл в Токай за день до землетрясения, чтобы заступить на двухнедельную смену в аппаратном зале нейтринной лаборатории. Когда днем 11 марта все здание внезапно затряслось, он и еще несколько сотрудников спрятались под столом. «Толчки продолжались довольно долго», – вспоминал Брайан. Вскоре отключилось электричество. Когда толчки поутихли, Кирби с коллегами выбрались наружу. «Еще несколько минут продолжались афтершоки[28], земля казалась зыбкой», – рассказывает Кирби. Он не представлял, на каком расстоянии от эпицентра расположен Токай, каким разрушительным оказалось это землетрясение в районе города Сендай, всего в 200 км севернее. Убедившись, что стихия улеглась, Брайан с коллегами сели на велосипеды, покатили к дому, который арендовали неподалеку, и устроили барбекю, пока запасенные продукты в холодильнике не испортились – ведь электричества не было.

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

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