Физики пытаются схватить за хвост частицу, у которой нет ничего, кроме следов

Нейтринный телескоп AMANDA
Столкновение нейтрино и атома кислорода Столкновение нейтрино с ядром атома кислорода влечет за собой не только уничтожение ядра, но и возниновение нового мюона или электрона, излучающего регистрируемый фотоумножителями импульс
Фотоумножители в конструкции телескопа AMANDA

«Я думаю поймать его, — сказал Пух, подождав еще немножко, — в западню. И это должна быть Oчень Хитрая Западня»… Первое, что пришло Пуху в голову, — вырыть Очень Глубокую Яму, а потом Слонопотам пойдет гулять

и упадет в эту яму"

Вы наверняка помните, как Винни Пух ловил Слонопотама. У героя нашего рассказа — нейтрино, как у сказочного Слонопотама, очень странный и непредсказуемый характер. У него нет заряда и практически нулевая масса покоя. Он летает почти со скоростью света и только по прямой, а в полете может превращаться в своих собратьев.

Можно сказать, что все мы живем в океане нейтрино, а не замечаем этого из-за их крайне слабого взаимодействия с веществом. И пока вы читали последнее предложение, сквозь ваше тело пролетели более миллиарда этих космических скитальцев.

Чтобы поймать космического Слонопотама, ученые строят гигантские ловушки. Они забираются в глубокие шахты, опускают приборы в океан на километровую глубину, а теперь еще и заталкивают их на два километра под антарктический лед.

Охота пуще неволи

Физики пытаются изловить нейтрино потому, что неуловимые космические Слонопотамы могут дать людям ключ к «памяти» Космоса, принеся сведения о давно случившихся катаклизмах. В том числе, о том, как рождалась наша Вселенная. Кроме того, мы до сих пор не знаем, как же горит Солнце, а нейтрино несут и эту информацию. При помощи нейтринного телескопа астрономы планируют отыскать следы темного вещества и другой космической экзотики типа магнитных монополей, следить за взрывами сверхновых звезд и изучать их эволюцию. А поскольку нейтрино летят только по прямой, то, изловив частицу, физик может, словно криминалист-баллистик, отследить, из какой точки космоса произошел «выстрел».

Подавляющее большинство нейтрино — реликтовые, представляющие собой остатки Большого взрыва. Некоторые рождаются в близких звездах, вроде нашего Солнца. Другие образуются, когда космические лучи врезаются в земную атмосферу.

Прилета и опознания нейтрино ждут едва ли не сильнее, чем контакта с внеземными цивилизациями. Их высматривают со стороны активных ядер галактик, подозревая, что это могут быть массивные «черные дыры» — сверхплотные объекты, во много раз тяжелее нашего Солнца. Благодаря чудовищной силе притяжения они втягивают в себя вещество, разгоняя его до безумных скоростей. Большая часть падает на «черную дыру», но некоторым частицам, энергия которых может достигать миллионов миллиардов электронвольт, удается «удрать». Поимка нейтрино с такими энергиями будет означать, что мы теоретически правильно понимаем происходящее.

Оптимисты полагают, что нейтринные телескопы имеют хорошие шансы обнаружить источники суперэнергичных космических лучей, продвинуть поиски холодного темного вещества и понять суть загадочных гаммавспышек.

Очень Глубокая Яма

Из-за неуловимости нейтрино, которые могут пролететь насквозь слой вещества толщиной в миллиард земных диаметров и нигде не застрять, любой эксперимент с ними превращается в многомесячную возню с огромными объемами газов, воды, льда. Из десятка миллиардов нейтрино, «упавших» на Землю из космоса, «застрянет» в ней одно-единственное. Рожденное, например, в термоядерных реакциях слияния ядер, благодаря которым горит наше Солнце, оно пролетит сто пятьдесят миллионов километров за восемь минут и окажется на Земле. Что же можно увидеть у этого невидимки? Когда оно все-таки взаимодействует с ядром вещества, то порождает быструю частицу мюон или электрон. Последний летит со скоростью больше скорости света в воде (это возможно, нельзя превзойти лишь скорость света в вакууме) и вызывает так называемое излучение Вавилова — Черенкова, вспышку темно-голубого света, которая заметна специальным приборам — фотоумножителям. Они превращают самый слабый свет в электрический сигнал. А чтобы зарегистрировать хотя бы один, требуется установка размером как минимум с кубический километр.

Ее желательно упрятать поглубже под землю или под воду. Ведь, кроме ожидаемых нейтрино, ее будут пронизывать тысячи и тысячи космических лучей, которые, хорошо взаимодействуя с веществом, дадут тысячи и тысячи вспышек. На этом фоне одиночный всплеск от нейтрино просто потеряется.

Таким образом, идея любого нейтринного эксперимента проста: взять большой «бак» с веществом, обложить фотоумножителями и запихнуть все это, например, в глубокую шахту. В одном из «шахтных» экспериментов нейтрино ловили при помощи хлора-37, ядро которого распадалось при столкновении с нейтрино на нейтрон и ядро радиоактивного аргона.

В другом эксперименте путь нейтрино отслеживали в огромном объеме воды, залитой в старую горную выработку. Однако недостатком обоих экспериментов было то, что таким образом выявлялись только высокоэнергетические невидимки.

Для достижения большей точности попытались задействовать еще большие массы воды. Пионером в этой области был эксперимент DUMAND (от английского «Deep Undersee Muon and Neutrino Detection» — «Глубоководный детектор для нейтрино и мюонов»). Километровые струны (прочные кабели, по которым к умножителям подается высоковольтное напряжение, а когда они срабатывают, снимается сигнал) размещали на площади в квадратный километр на глубине несколько километров неподалеку от Гавайских островов. Другой нейтринный телескоп создали на километровой глубине в озере Байкал. Но и там, и на Гаваях дела пошли плохо. Во‑первых, даже в самой чистой воде оказалось много различных загрязнений. Кроме того, волнение воды постоянно смещало фотоумножители с мест, и невозможно было достаточно точно проследить путь частиц. Чтобы избавиться от этих недостатков, экспериментаторы решили работать со льдом.

Телескоп в ледовом панцире

В конце 1992 года физики из Швеции, США, Германии и Финляндии организовали сотрудничество AMANDA («Antarctic Muon and Neutrino Detector Array» — «Детектор для мюонов и нейтрино в Антарктиде»). В качестве чувствительного объема, где должно происходить взаимодействие нейтрино с веществом, решили использовать лед неподалеку от Южного полюса.

Место выбрано неслучайно: во‑первых, льда там хватает, во‑вторых, он чистый, а в-третьих, есть хорошо оборудованная исследовательская база, на которой можно не только работать, но и комфортно жить.

Километровая глубина, на которую пришлось погрузить «телескоп», потребовалась, чтобы избавиться от рассеивания вспышек излучения Вавилова — Черенкова имевшимися в поверхностном льду пузырьками воздуха (ледовый покров Антарктиды возник из спрессованного за тысячи лет снега, и даже на глубине в несколько сотен метров пузырьков еще слишком много). Чтобы установить фотоумножители на «рабочее место», физики протапливают скважину при помощи шланга с горячей водой и опускают туда струну с приборами. Потом вода замерзает и лед фиксирует все приборы в строго определенном месте. Это дополнительное преимущество льда перед жидкой водой.

К 2000 году на глубине более полутора километров было расположено 677 фотоумножителей и нейтринный телескоп приступил к работе. Длина его — 500 км, а диаметр — 120 м.

Весной нынешнего года ежегодная конференция Американского физического общества обсудила первые результаты работы AMANDA. Они не принесли пока эпохальных открытий. Однако, по мнению Стивена Барвика, одного из авторов обзора, опубликованного в февральском номере ведущего астрофизического журнала Astrophysical Journal, «это серьезный прорыв в области астрономии высокоэнергетичных нейтрино, и AMANDA начал делать то, для чего он был создан». Подледный телескоп способен определять источник частиц в пределах очень острого, четырехградусного угла.

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2003).