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

Эксперимент AMANDA продлился около 10 лет – с того момента, как была пробурена первая скважина и до окончательного закрытия. Тем временем Лирнид и коллеги после многолетних усилий отказались от проекта подводной нейтринной установки у гавайских берегов, поскольку столкнулись с серьезными техническими проблемами. Хальцен и его группа узнали много нового и о свойствах антарктического льда, и о способах обнаружения нейтрино. Опираясь на приобретенный опыт, команда приступила к созданию «Ледяного куба». Эта обсерватория должна была стать в 100 раз крупнее, чем ее предтеча – телескоп AMANDA. Строительство «Ледяного куба» началось в 2005 г.

«Ледяной куб» – чудо инженерной мысли, возведенный в экстремальных условиях. Как и AMANDA, этот антарктический проект приходилось полностью обеспечивать с Большой земли. Речь шла не только о запчастях, бурильном оборудовании, обслуживающем персонале, но и о доставке провианта и топлива. Для подвоза всего этого оснащения использовались грузовые самолеты Hercules C-130 на лыжном шасси. На последнем этапе пути – от станции Мак-Мердо на побережье Антарктики до Южного полюса (это расстояние составляет около 1500 км) – самолетами управляли пилоты ВВС США. Инженеры использовали специально изготовленный для проекта бур высокого давления. Из наконечника этого бура под напором подавалась горячая вода, такая установка должна была просверлить лед на глубину более 2 км. Потребовалось два дня непрерывной эксплуатации и более 18 000 л бензина, чтобы пробурить одну скважину, растопив почти 760 000 л льда. Когда ледяная шахта была готова, в нее аккуратно опустили стальной кабель с датчиками. Так, скважина за скважиной, сезон за сезоном, была «возведена» обсерватория «Ледяной куб». Работы проводились в период с ноября по февраль – в эти месяцы в Антарктиде наступает лето, солнце круглые сутки не заходит за горизонт и стоит сравнительно теплая погода.

Хальцен признается, что испытал «огромное облегчение», когда работы были завершены в декабре 2010 г. «Теперь, когда “Ледяной куб” готов, мы начинаем забывать, насколько рискованной и нетривиальной была эта затея. Я даже составил список всех этапов, на которых мне казалось, что проект вот-вот сорвется», – добавляет он. Работа велась на лютом холоде, на большой высоте (свыше 3000 м над уровнем моря) и в ужасающей изоляции – в таких условиях все риски чрезвычайно возрастали. Однажды в ходе строительства рабочий нечаянно ухватился за шланг, свешивающийся с бурильной вышки, и упал спиной на монолитный лед, когда этот шланг взмыл вверх. Пострадавшего потребовалось срочно доставить в Новую Зеландию для экстренного лечения, на полное восстановление потребовалось более месяца.

Стальной кабель опускается в толщу антарктического льда

(M. Krasberg/NSF)

Но тот риск, на который пошли Хальцен с коллегами, – строительство «Ледяного куба» – уже с лихвой себя оправдал. За первые два года эксплуатации обсерватории удалось зафиксировать два необычных нейтринных сигнала, обладавших беспрецедентно высокими энергиями. В 2012 г. на конференции, состоявшейся в Киото, выступил Ая Исихара – участник проекта «Ледяной куб», сотрудник японского университета Тиба. Исихара сообщил о двух этих «ПэВ-событиях», названных так потому, что они сопровождались выделением энергии порядка петаэлектронвольт (то есть квадриллион электронвольт). Этот показатель примерно в миллион раз превышает энергию массы протона. Такие невероятные величины поразили многих астрофизиков. Вот что сказал по этому поводу Спенсер Клейн, сотрудник Национальной лаборатории им. Лоуренса из города Беркли: «Энергия этих нейтрино в тысячи раз превышает ту, которую нам когда-либо удавалось сообщить нейтрино в наших ускорителях частиц».

Сначала исследователи решили проверить, не могут ли такие ПэВ-нейтрино возникать в результате столкновения высокоэнергетических космических лучей с атомами азота и кислорода земной атмосферы. По результатам дальнейших наблюдений и анализа эта гипотеза была отвергнута. Хальцен говорит: «По всей вероятности, эти явления не связаны с атмосферой – вот что самое интересное». Иными словами, чтобы разгадать природу этих бурных всплесков энергии, мы должны обратить внимание на очень далекие небесные тела. Исследователи полагают, что такие нейтрино могут быть отголосками мощных выбросов, извергаемых колоссальными черными дырами, что расположены в центрах галактик. Другое возможное объяснение – грандиозные взрывы, сопровождаемые мощными гамма-всплесками. Возможно, при таких событиях высвобождается даже больше энергии, чем при взрывах сверхновых.

Нейтринная обсерватория «Ледяной куб» в лунном свете

(E. Jacobi/NSF)

За последние два десятилетия астрономы подтвердили, что в центрах многих галактик – в том числе Млечного Пути – таятся гигантские черные дыры. От полюсов галактики к центру тянутся мощные потоки энергии. Ученые полагают, что такие потоки возникают именно под действием черных дыр, которые притягивают к себе вещество с периферии, а затем силой своих магнитных полей извергают часть этого вещества обратно в межзвездное пространство. Частицы, наполняющие эти потоки, развивают субсветовые скорости. Поэтому вполне возможно, что в таких потоках возможно присутствие высокоэнергетических нейтрино, вроде тех, что были зафиксированы в «Ледяном кубе». Исследователи полагают, что гамма-всплески могут знаменовать гибель самых массивных звезд, будучи при этом еще одним источником высокоэнергетических нейтрино. Такие всплески гамма-излучения были случайно открыты в конце 1960-х со спутников, разработанных для отслеживания гамма-излучения (которое могло возникать в результате секретных космических ядерных испытаний). Впоследствии гамма-всплески озадачили ученых на целые десятилетия. Последние исследования позволяют предположить, что гамма-всплески состоят из узких (остронаправленных) пучков очень быстрых частиц, испускаемых при гибели массивных звезд, впоследствии превращающихся в черные дыры или нейтронные звезды. Как бы то ни было, в «Ледяной куб», очевидно, попали частицы, прибывшие прямо с места подобных событий. Возможно, эти стремительные нейтрино помогут нам лучше понять одно из наиболее впечатляющих явлений природы.

«Ледяной куб» – самая экзотическая нейтринная лаборатория нового поколения, обладающая беспрецедентной чувствительностью к этим частицам. Некоторые подобные установки – сам «Ледяной куб», а также еще более грандиозная сеть уловителей, которая сейчас конструируется на дне Средиземного моря, – спроектированы специально для отслеживания нейтрино, прилетающих из глубокого космоса или образующихся при столкновении космических лучей с земной атмосферой[7]. Существуют и нейтринные установки другого рода: например, в толще гор Икенояма в шахте Намиока в Японии установлен огромный детектор, сравнимый по размерам с собором[8]. Еще одна подобная установка, которая весит не меньше чем 5000 автомобилей, сокрыта в шахте на территории штата Миннесота. Этот уловитель измеряет потоки нейтрино, генерируемые ускорителями частиц, находящимися в сотнях километрах от Миннесоты. Наконец, следует упомянуть и об экспериментах третьего типа, которые ведутся, например, во французском местечке Шо и в бухте Дайя Бэй у берегов Китая. Здесь изучаются нейтрино, образующиеся при работе атомных электростанций.