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

Некоторые физики стремятся даже к более амбициозным целям. Поскольку осцилляции нейтрино заметно отличаются в зависимости от плотности пород, через которые пролегает путь частицы, исследователи планируют направлять пучки нейтрино из одной точки земной коры в другую и таким образом зондировать структуру коры. Если бы удалось использовать мощные пучки нейтрино, генерируемые в ускорителях и высокочувствительных детекторах, то можно было бы фактически просканировать всю земную кору и найти большие полости, заполненные водой или залежами минералов. По схожему принципу делаются стоматологические рентгеновские снимки. Возможно, такая технология даже позволит обнаружить нефтеносные геологические формации, что, конечно же, будет интересно нефтедобывающим компаниям. Однако для реализации такого механизма требуются нейтринные пучки в тысячи раз более мощные, чем создаются в современных ускорителях частиц. Поэтому пока разведка нефтяных месторождений при помощи нейтринных пучков практически нереализуема.

Тем временем охотники за нейтрино, проявив восхитительную научную интуицию, случайно помогли морским биологам, изучающим глубоководную фауну. Необычный альянс возник неспроста: оказалось, что шум, который казался физикам досадной помехой, для биологов был ценным сигналом. В 2005 г. итальянские физики занимались постройкой Средиземноморской нейтринной обсерватории (NEMO) на шельфе Сицилии и обдумывали, как можно было бы целенаправленно «слушать» частицы, а не просто фиксировать бледные вспышки, возникающие при случайных соударениях нейтрино с молекулами воды. Они опирались на теоретические расчеты, согласно которым высокоэнергетические нейтрино, взаимодействующие с молекулой, должны порождать едва заметную акустическую волну. Поскольку под водой звук перемещается дальше, чем свет, для более эффективного обнаружения нейтрино стоило попробовать развернуть акустические детекторы. На самом деле ученые признают, что чувствительные звуковые детекторы могут уловить характерный «хлопок», издаваемый нейтрино, на расстоянии нескольких километров. Самое сложное, разумеется, – различить этот хлопок на окружающем звуковом фоне.

Физики из обсерватории NEMO понятия не имели, какие звуки будут преобладать в царстве Нептуна, в 1,5–2 км от поверхности Средиземного моря. Морские биологи предполагали, что на такой глубине вряд ли будет тихо, но им не хватало информации для более конкретного прогноза. Поэтому они были рады принять от физиков любую помощь, которая позволила бы прояснить ситуацию. В начале 2005 г. две группы ученых установили четыре сверхчувствительных гидрофона (микрофона для работы под водой) на испытательной площадке обсерватории NEMO. Устройства были подключены к кабелю, который ретранслировал данные на компьютер, установленный на близлежащем пирсе. Неудивительно, что гидрофоны записали фоновый шум от естественного волнения воды и движения судов. Иногда в записи прослушивались громкие всплески, вызываемые гребными винтами больших кораблей. Но ученые обратили внимание на специфические щелчки – эти звуки издавали кашалоты, прогонявшие сжатый воздух через свои носовые полости. Такие щелчки – одни из самых громких звуков, которые способны издавать животные. Вероятно, с их помощью кашалоты зондируют морские глубины и отыскивают добычу – примерно по такому же принципу летучие мыши используют эхолокацию при ориентировании. Ученые также слушали последовательности щелчков (такая последовательность называется «кода»), при помощи которых киты общаются друг с другом.

Прослушав сотни записей, биологи пришли к выводу, что кашалоты встречаются в Средиземном море гораздо чаще, чем можно было судить по предыдущим исследованиям, проводившимся на меньших глубинах. Теперь ученые хотят использовать глубоководные акустические системы, чтобы отслеживать численность и перемещения китообразных с течением времени. Биологи планируют выяснить, мигрируют ли киты из Атлантического океана в Средиземное море и обратно, есть ли у таких путешествий сезонная цикличность. Более того, благодаря результатам первых исследований акустическое оборудование было развернуто еще в нескольких точках на морском дне по всему миру[41]. В частности, следует упомянуть подводный нейтринный телескоп ANTARES, установленный поблизости от побережья Франции[42].

Пока не ясно, смогут ли физики обнаружить нейтрино при помощи акустических приборов. Но уже планируется постройка подводной нейтринной обсерватории нового поколения KM3NeT, в которой будет установлена целая система гидрофонов. Гидрофоны помогут позиционировать оптические детекторы, а также пригодятся биологам, собирающимся изучать не только кашалотов, но и финвалов, и клюворылов – на огромных глубинах. Тем временем ученые из обсерватории NEMO совершили еще одно удивительное открытие: они обнаружили цепочки глубинных водоворотов, которые никто не ожидал встретить в закрытом Средиземноморском бассейне. Теперь ученые пытаются определить, сформировались ли эти водовороты именно в Средиземном море либо «приплыли» издалека, преодолев сотни километров. Нейтрино, которые в свое время интересовали только физиков-теоретиков, сегодня могут совершенно неожиданным образом приоткрыть для нас тайны подводного мира.

В обозримом будущем охотники за нейтрино смогут внести свой вклад даже в борьбу за мир. При помощи нейтрино можно выслеживать операторов нелегальных ядерных реакторов, ловить контрабандистов, приторговывающих плутонием, и даже остановить тех, кто попытается собрать самодельную атомную бомбу. В настоящее время ученые исследуют перспективы использования нейтринных детекторов для предотвращения распространения ядерного оружия. В таком контексте Георг Раффельт подчеркивает: «Возможно, даже для такой экзотической частицы, как нейтрино, найдется практическое применение». Ядерные реакторы, используемые для производства электроэнергии, – это потенциальный источник оружейного плутония, который со временем накапливается в реакторе – по мере того, как происходит деление ядер урана и уран распадается на более тяжелые элементы. МАГАТЭ стремится помешать распространению ядерного оружия и для этого наблюдает за реакторами, используемыми в энергетике. Периодически инспекторы агентства сравнивают регистрационные записи, сделанные операторами реакторов, с собственными данными, чтобы проверить, не ведется ли на станции какой-нибудь подозрительной деятельности – например, не слишком ли часто останавливают реактор для замены топливных элементов. Современные инструменты для такого мониторинга требуют доступа к коммуникациям реактора – например, для отслеживания того, сколько хладагента было израсходовано. Но такое оборудование неудобно, недешево, а его данные легко подделать.

К счастью, те самые реакции, в ходе которых из урана образуется плутоний, дают и побочный продукт: антинейтрино. Эти антинейтрино – средство для непосредственного измерения параметров ядерных реакций в реальном времени – просто находка для международных наблюдателей. Раффельт говорит: «Антинейтрино не врут». Не существует способа удержать эти частицы в реакторе и скрыть связанную с ним незаконную деятельность, если рядом с реактором установлен детектор нейтрино. На обычных АЭС топливные элементы эксплуатируются непрерывно, до тех пор, пока радиоактивного горючего в них не останется, – как правило, срок службы такого элемента составляет около полутора лет. По прошествии этого периода, когда ядерного топлива на АЭС становится меньше, уровень вырабатываемой энергии (а также поток нейтрино) медленно иссякает по естественным причинам. Но если кто-то очень хочет запастись плутонием, то реактор нужно будет останавливать как минимум на сутки один раз в несколько недель, чтобы поменять элементы. «Топливные стержни должны прожариться в течение строго определенного времени, чтобы в них образовался плутоний, – поясняет Джон Лирнид, – поэтому если найдется реактор, который останавливают раз в месяц, то можно быть уверенным, что там изготовляют начинку для бомб».