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

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[38].

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»[39], 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.