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

• Название: Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей
• Автор: Рэй Джаявардхана
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-9614-3078-3

Эта книга – захватывающий триллер, где действующие лица – охотники-ученые и ускользающие нейтрино. Крошечные частички, которые мы называем нейтрино, дают ответ на глобальные вопросы: почему так сложно обнаружить антиматерию, как взрываются звезды, превращаясь в сверхновые, что происходило во Вселенной в первые секунды ее жизни и даже что происходит в недрах нашей планеты? Книга известного астрофизика Рэя Джаявардхана посвящена не только истории исследований нейтрино. Она увлекательно рассказывает о людях, которые раздвигают горизонты человеческих знаний. Читатель познакомится с проницательным теоретиком Вольфгангом Паули, беспокойным гением Этторе Майораном, предвестником атомного века Энрико Ферми, самоотверженными Мари и Пьером Кюри, романтичным Бруно Понтекорво, который рискнул перебраться в СССР во времена холодной войны; узнает, почему в следующем десятилетии нейтрино изменит наши представления о физике, космологии и жизни на Земле.

---

Окончив аспирантуру, он стал работать на исследовательской станции Эхо-Лейк в Скалистых горах, на территории штата Колорадо. Там он жил в деревянной хижине с женой и двумя детьми. Именно в этот период Лирнид серьезно заинтересовался нейтрино, а позже перебрался на Гавайи – там ученый надеялся развернуть огромную решетку подводных нейтринных ловушек прямо в тихоокеанских водах. Гавайские острова имеют вулканическое происхождение, поэтому океан здесь очень глубокий. Учитывая интересы и опыт Лирнида, неудивительно, что Хальцен решил проконсультироваться с ним насчет установки нейтринных датчиков в толще вековых антарктических ледников.

Коллеги обсудили достоинства хэлзеновского проекта. «Лирнид сразу же оценил потенциальные преимущества антарктического нейтринного телескопа», – свидетельствует Хальцен. Судите сами: полярный лед чистый, стабильный, стерильный, не пропускает свет, в нем не живут биолюминесцентные организмы, которые могли бы испортить эксперимент своими «световыми помехами». Наконец, во льду нет морской соли, а значит – и элементов, испускающих радиоактивное излучение в процессе распада (эти лучи легко спутать со следами нейтрино). Не менее важен был тот факт, что Национальный научный фонд США (NSF) уже имел исследовательскую базу в районе Южного полюса, поэтому мог оказать необходимую логистическую поддержку. Хальцен, воодушевившись энтузиазмом Лирнида и его помощью в моделировании детекторов, объявил об их общем проекте на конференции, состоявшейся в Польше, а также подробно описал будущую лабораторию в статье, вышедшей в 1987 г. Правда, на этом он и остановился, так как, будучи теоретиком, не имел опыта реализации таких масштабных экспериментов и не решался браться за столь титаническую задачу.

Хальцен вспоминает об одном телефонном разговоре, который состоялся примерно через год после этих событий: ему позвонил взбешенный чиновник из Национального научного центра. Клерк пожаловался, что двое молодых физиков, работавших в Калифорнийском университете города Беркли, пытались провезти в Антарктиду целую связку ФЭУ и вставить их в ледяную скважину, не имея на это официального разрешения. Чиновник спросил Хальцена, не он ли вбил парням в голову «эту безумную идею». Хальцен заверил собеседника, что слыхом не слыхивал о двоих физиках из Беркли, которые, очевидно, побывали в Польше на конференции, где Хальцен и Лирнид обсуждали свой проект.

Позже Хальцен вышел на контакт с группой коллег из Беркли, чтобы вплотную приступить к реализации идеи. Сначала ученые проверили ее осуществимость, опустив 200-метровый трос с тремя ФЭУ в скважину, пробуренную гляциологами во льду Гренландии. Затем они приступили к работе над пилотным проектом AMANDA[6], профинансированным NSF. Работа развернулась в 1992 г., когда в Южном полушарии стояло лето. Физики позаимствовали технологию, которой пользуются при сверлении льда ученые-гляциологи: из бура, как из огромного душа, под давлением подается горячая вода, растапливающая лед и упрощающая тем самым бурение. Скважина не замерзает несколько дней; этого времени достаточно, чтобы опустить в нее кабель с датчиками.

В сочельник 1993 г. исследователи погрузили в лед первую партию ФЭУ. В этот вечер Хальцен был в Бельгии, встречал Рождество в семейном кругу. Как теоретик он не был обязан присутствовать на месте работ. Правда, и для Хальцена в этот вечер решалось очень многое; во время праздничного ужина он частенько поглядывал на экран ноутбука, проверяя, не пришло ли ему новое электронное письмо с Южного полюса. Позже Хальцен писал: «Достаточно сложно жить не отрываясь от телефона, постоянно связываясь с коллегами, работающими на другом конце света. Но если сознаешь, что ты – член большой команды, вместе с которой участвуешь в невероятном приключении, знаешь, что твои спонсоры и коллеги с нетерпением ожидают результата, а ты сам абсолютно не властен как-то повлиять на этот результат – то сложно придумать более изощренную пытку». Как только к столу подали десерт, Хальцену пришло сообщение о том, что установка успешно запущена.

Ликовать коллегам пришлось недолго, так как они почти сразу же столкнулись с неожиданными проблемами. В частности, ФЭУ регистрировали слишком много голубых вспышек от мюонов, порождаемых космическими лучами. Исследователи полагали, что под 800-метровый слой льда, где установлены датчики, не должны проникать мюоны, порождаемые космическими лучами. Те немногие мюоны, которые они рассчитывали зафиксировать на такой глубине, явно должны были высекаться нейтрино, приходящими снизу, с другой стороны Земли. На практике все оказалось иначе; по словам Хальцена, система регистрировала «какую-то бессмысленную мешанину». Но труднее всего оказалось справиться с пузырьками воздуха, заключенными в толще льда; они рассеивали нейтринные вспышки, из-за чего выявить сами частицы становилось гораздо сложнее. Оказалось, что на такой глубине пузырьков еще очень много, причем они были примерно в 50 раз крупнее, чем предполагалось в теории. Поэтому основной проект был отложен, а команда принялась продумывать необходимые доработки. Было принято решение бурить еще глубже, опуская датчики на полторы-две тысячи метров в толщу льда. На таких глубинах голубые вспышки, означающие встречу с нейтрино, должны были бы просматриваться лучше, поскольку высокое давление гарантированно вытесняло бы из этой толщи льда почти все пузырьки воздуха.

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».