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

Однако свинец, только что добытый из руды, сам немного радиоактивен; соответственно, его собственное излучение станет помехой для измерения бета-распада. Поэтому ученым, готовившим проект CUORE, потребовалось найти очень старый свинец, который уже успел утратить почти всю свою естественную радиоактивность. Ученые превзошли сами себя в стремлении найти идеальный экранирующий материал: металл, который пошел на изготовление кожухов, взят с грузового судна, затонувшего у берегов Сардинии около 2000 лет назад. В 1988 г. остатки этого корабля обнаружил аквалангист. На судне находилось более тысячи свинцовых слитков, из которых, вероятно, предполагалось выковать снаряды для пращей – боеприпас для римских легионеров. Археологи хотели изучить клейма на слитках, чтобы больше узнать об античной морской торговле, но не смогли найти достаточно средств, чтобы поднять весь этот груз. Тогда на помощь пришли физики: Итальянский национальный институт ядерной физики выделил на подъем слитков сумму, эквивалентную $200 000. В качестве вознаграждения физики попросили себе часть добытого груза – те слитки, которые сохранились хуже всего. Они будут переплавлены и пойдут на изготовление свинцовых экранов для эксперимента CUORE.

Кроме группы CUORE в мире есть и другие проекты, участники которых в духе дружеского соперничества стремятся обнаружить безнейтринный двойной бета-распад. Еще одна группа в Европе уже эксплуатирует аппарат, который должен зафиксировать это экзотическое явление в блоке германия[37]. Эта работа также ведется в лаборатории Гран-Сассо. Американские ученые запустили собственный эксперимент под названием EXO-200 (Обсерватория с обогащенным ксеноном). Обсерватория расположена под соляным пластом неподалеку от города Карлсбад в штате Нью-Мексико, неподалеку отсюда находится могильник ядерных отходов. Тот самый соляной пласт, который накрывает этот могильник, также защищает детектор EXO-200 от космических лучей и естественной радиоактивности скальных пород. Ксенон содержится в медном криостате, который находится в растворителе; растворитель играет роль антифриза и позволяет поддерживать нужную температуру. Исследователи сделали все возможное, чтобы защитить свой аппарат от радиационного фона, который мог бы стать источником помех. Сборка установки EXO-200 выполнялась в большом стерильном цеху в специальном комплексе с толстой бетонной крышей на территории Стэнфордского университета. При работе использовались материалы, не дающие ни малейшего радиоактивного излучения, все инструменты тщательно промывались в ацетоне и спирте. Поскольку при транспортировке оборудования по воздуху установка подвергалась бы сильному воздействию космических лучей, было решено доставить аппаратуру грузовиком из Калифорнии в Нью-Мексико в герметичных контейнерах – путь к месту назначения составил больше 2000 км. Чтобы дополнительно снизить воздействие космических лучей, было решено максимально сократить время в пути – для этого к транспортировке привлекли двоих водителей, которые вели машину по очереди, и в дороге удалось обойтись без остановок. Более того, исследователи покрыли контейнеры специальной отражающей краской, чтобы в дороге они не нагревались. Сам грузовик, который использовался при перевозке, был оснащен пневматической подвеской, чтобы исключить даже малейшие вибрации, способные повредить тонкое оборудование. Тем временем японские исследователи также приступили к поиску безнейтринного двойного бета-распада в шахте Камиока; в японской установке используется 400 кг ксенона, заключенного в огромный нейлоновый баллон.

Следует отметить, что еще около 10 лет назад поступило сообщение о том, что безнейтринный двойной бета-распад удалось обнаружить. С таким заявлением выступила небольшая группа физиков под руководством Ханса Клапдор-Кляйнгротхауса из Гейдельбергского института ядерной физики им. Макса Планка в Германии. Ученые проанализировали массив данных, собранных в течение многолетнего совместного эксперимента «Гейдельберг – Москва» (в эксперименте использовались пять крупных сверхчистых кристаллов обогащенного германия, расположенных в подземной лаборатории Гран-Сассо), и сообщили, что у них действительно есть доказательства таких редких превращений. Однако другие исследователи, в том числе московские участники этой коллаборации, указали на недоработки в их анализе и усомнились, не является ли полученный результат обычной статистической флуктуацией. Хитоши Мураяма отметил, что «согласно большинству теорий, этот процесс не может идти так активно, как следует из этих результатов». С ним соглашается Гратта из Стэнфордского университета, один из ключевых представителей коллаборации EXO-200: «Большинство коллег сходятся во мнении, что безнейтринный двойной бета-распад пока наблюдать не удалось». Если каким-то чудом Клапдор-Кляйнгротхаус и его коллеги действительно не ошиблись с выводами, то их находка должна подтвердиться в других экспериментах в ближайшие несколько лет.

«Поскольку значение этих измерений сложно переоценить, представители научного сообщества считают, что для полной уверенности нам нужно несколько подтверждений, полученных на разных экспериментах», – считает Карстен Хеегер из Висконсинского университета в Мэдисоне, один из участников коллаборации CUORE. «Если действительно удастся обнаружить нечто подобное, то это будет великое событие», – добавляет он. Действительно, существует несколько причин, по которым открытие безнейтринного двойного бета-распада потрясет основы физики, астрономии и космологии. Во-первых, это открытие будет означать, что Майорана был прав и нейтрино действительно являются античастицами сами себе. Во-вторых, физики смогут непосредственно измерить абсолютную массу нейтрино, которую не удается определить на протяжении многих десятилетий. Астрономы узнают, обладают ли эти частицы достаточной массой, чтобы из них могли сформироваться первые сгустки материи в ранней Вселенной. В-третьих, такой распад будет свидетельствовать о несохранении лептонного числа, что, как подчеркивает Хеегер, «нарушает фундаментальную физическую симметрию и, следовательно, потребует в корне пересмотреть Стандартную модель». В-четвертых, космологи смогут понять, как в течение первых секунд после Большого взрыва сложилось подавляющее преобладание вещества над антивеществом. Учитывая все эти революционные перспективы, неудивительно, что охотники за нейтрино связывают большие надежды со вторым десятилетием XXI в.

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.