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

Самая интересная загадка оказалась связана с тем, откуда прибывают нейтрино. Космические лучи с равной интенсивностью бомбардируют всю земную атмосферу, поэтому количество столкновений этих лучей с атмосферными атомами также должно быть примерно равным в любой точке неба. Действительно, исследователи, работавшие с Super-K, зафиксировали практически одинаковые количества электронных нейтрино, приходящих и сверху (с неба), и снизу (с другой стороны земного шара). Однако в случае с мюонными нейтрино такое равенство не соблюдалось: лишь каждый третий мюонный нейтрино прилетал из-под земли, а все остальные нейтрино этого сорта «сыпались» с неба. Исследователи с Super-K предположили, что мюонные нейтрино каким-то образом исчезают, пролетая сквозь толщу земного шара. «Мы поняли: нет дыма без огня», – так образно охарактеризовал эту ситуацию Эд Кёрнс из Бостонского университета, работавший в коллаборации Super-K. Ученые пришли к выводу, что, скорее всего, мюонные нейтрино меняли аромат, превращаясь в тау-нейтрино, которые плохо фиксировались в Super-K. Благодаря этим открытиям в последние годы XX в. все больше представителей физического сообщества склонялись к мысли, что именно осцилляция позволяет объяснить аномалии в соотношении сортов атмосферных нейтрино, а также наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино.

Правда, тот факт, что некоторые нейтрино буквально исчезают в полете, нельзя было считать прямым доказательством перехода нейтрино из одной разновидности в другую. Чтобы убедиться в верности такой интерпретации, физики должны были определить, во что превращаются солнечные электронные нейтрино, либо как минимум изучить электронные нейтрино отдельно от других ароматов. Именно для этой цели была построена нейтринная обсерватория Sudbury (SNO), оборудованная в действующей никелевой шахте на севере канадской провинции Онтарио. Детектор SNO был призван решить проблему солнечных нейтрино раз и навсегда. Позже эта лаборатория была расширена до целого научного комплекса, получившего название SNOLAB.

Директор SNOLAB Найджел Смит согласился устроить мне экскурсию по этой лаборатории. В один из поздних ноябрьских вечеров 2010 г. я отправился из Торонто в Садбери. Четыре часа провел за рулем, следуя на север, время от времени попадая в метель. На следующее утро в предрассветной тьме, не надеясь на GPS-навигатор, я едва нашел дорогу от дешевого отеля (где останавливался на ночь) до комплекса SNOLAB. Однако я ухитрился прибыть на место как раз вовремя, к моменту отправления последнего лифта, уходившего на глубину. На часах было семь утра.

В рабочей раздевалке на первом подземном этаже мы с Найджелом Смитом облачились в голубые комбинезоны и ботинки с армированными носами. Смит закрепил на каске шахтерский фонарь, на ремне – аккумулятор, мне велел сделать то же самое. Мы оставили на специальном колышке две метки – одну для Смита, другую для «посетителя», чтобы в случае нештатной ситуации было проще определить, сколько человек осталось в шахте. Затем мы вошли в темный скрипучий лифт, подвешенный на тросе толщиной почти с мою руку. Вместе с нами в открытую клеть погрузились еще человек двадцать шахтеров. Наш спуск в глубины начался медленно, но затем ускорился. Горняцкие фонари у нас на касках светили довольно тускло, мы видели только пролетавшие мимо нас каменные стены шахтного ствола. Клеть несколько раз останавливалась, группы шахтеров удалялись на работу в штреки. Я мельком заглядывал в освещенные туннели, горизонтально отходившие вдаль от ствола шахты. Примерно на полпути вниз барабанные перепонки уже стали ощущать возросшее давление, поэтому я немного пожевал и натужно зевнул. На последней остановке, около двух километров под землей, вышли мы со Смитом и несколько шахтеров. Наш спуск с учетом всех попутных остановок продлился около 10 минут.

Правда, на этом наше путешествие далеко не закончилось; нам предстояло пройти еще около 1,5 км по грязному тоннелю, отделявшему нас от SNOLAB. К счастью, система железобетонных стоек, анкерных крепей и стальных щитов надежно держала массу нависавших над нами горных пород, не давая им обрушиться под давлением, а вентиляционная система хорошо продувала тоннель – иначе мы бы рисковали свариться здесь от духоты. Горняки разошлись в боковые туннели добывать никель (ведь именно ради этого металла когда-то была прорыта шахта), а мы со Смитом все шли прямо вдоль узкоколейки для вагонеток. Наконец мы достигли таблички, на которой красовалась надпись: «SNOLAB: mining for knowledge»[27]. Мы стояли у дверей самой глубокой в мире исследовательской лаборатории. Смыли грязь с сапог специальным шлангом, а затем открыли ярко-голубую дверь. Я сразу же остолбенел от неожиданного контраста: передо мной предстал чистейший лабораторный отсек, потолок без единого пятнышка, блестящие стены, воздух даже без намека на пыль. Все это абсолютно не сочеталось с мрачной шахтой, которую мы только что миновали. Прежде чем двигаться дальше, мы приняли душ и переоделись в свежие комбинезоны, бахилы, надели сеточки для волос. Последним этапом этого затейливого ритуала очищения перед вступлением в «святая святых» стал воздушный душ – мы избавились от последних пылинок, которые могли на нас остаться, чтобы не нарушить стерильность SNOLAB и не смазать филигранные эксперименты, которые там проводятся. Эта лаборатория эксплуатируется в стерильном режиме, воздух постоянно фильтруется. Все и всё, что попадает в этот комплекс, подлежат тщательной очистке. В частности, в лабораторию не должны проникнуть даже мельчайшие количества радиоактивных элементов, которые изобилуют в шахтной пыли; эти элементы могут спровоцировать интерференцию при измерении нейтринных сигналов.

Будучи внутри этой лаборатории – например, проходя мимо стоек с электронным оборудованием, нашпигованным мерцающими индикаторами, либо перекусывая в столовой вместе с другими учеными, – сразу забываешь, что ты находишься глубоко под землей, а над тобой – 2 км горных пород. Даже если в лифте или в туннеле на тебя накатывают приступы клаустрофобии, здесь это ощущение проходит. Да, заметно отсутствие окон и солнечного света – поэтому кажется иронией судьбы, что эта лаборатория была выстроена именно для наблюдения за частицами, прилетающими с самого Солнца. В середине 1980-х 16 ученых собрались вместе и предложили построить SNO. В этой лаборатории планировалось ловить хотя бы единичные частицы из того множества нейтрино, которые сплошным потоком струятся с Солнца и проникают через горные породы столь же легко, как свет сквозь оконное стекло.

Среди этих ученых был и Арт Макдональд, в ту пору работавший профессором в Принстонском университете. Макдональд вырос на восточном берегу острова Кейп-Бретон в Новой Шотландии. Он всегда интересовался тем, как устроены разные вещи. Ребенком Арт с удовольствием разбирал часы и пытался вновь собрать их. Позже Арт стал физиком и, вооружившись математикой, стремился познать законы природы. Он вернулся в Канаду в 1989 г., принял пост профессора в Университете Куинс и встал во главе проекта SNO. Спустя два года ему и коллегам удалось выбить достаточное финансирование, чтобы воплотить общую мечту: построить глубоко под землей мощную нейтринную обсерваторию.

Детектор SNO на этапе установки

(Lawrence Berkeley National Laboratory)

Настоящим сердцем нейтринного детектора SNO является гигантский цилиндрический сосуд, выполненный из прозрачного акрила. Исследователи наполнили его не обычной водой, а залили в сосуд тысячу тонн тяжелой воды. В молекуле тяжелой воды вместо обычного водорода содержится дейтерий – в этом изотопе водорода присутствует не один протон, а протон и нейтрон. Исследователи очистили тяжелую воду, чтобы удалить из нее не только примеси, но и следы радиоактивных газов. Акриловый сосуд заключен в геодезическом куполе, во внутренней поверхности которого встроены 9600 ФЭУ, постоянно отслеживающих взаимодействия воды с нейтрино. Весь этот исследовательский аппарат развернут в глубокой подземной полости, которая могла бы вместить в себя целый собор. Будучи в лаборатории, я смог взглянуть на эту установку сверху. Строительство SNO продлилось более девяти лет и обошлось в 70 млн канадских долларов – не считая еще 200 млн, выделенных компанией Atomic Energy of Canada на приобретение необходимого объема тяжелой воды. Проект не обошелся без некоторых заминок, но уже летом 1999 г. детектор SNO начал получать лабораторные данные.

Спустя два года Арт Макдональд объявил о первых результатах эксперимента, полученных в ходе регистрации взаимодействий между нейтрино и тяжелой водой на протяжении 241 суток. Сравнив количество нейтрино, зарегистрированных в SNO и Super-K, Арт и коллеги пришли к выводу, что некоторые нейтрино, по всей вероятности, действительно меняют аромат. «Мы разгадали тайну недостающих солнечных нейтрино, которая оставалась нераскрытой в течение тридцати лет, – сказал он в одном из интервью. – Теперь мы практически уверены, что наблюдавшийся дефицит связан не с ошибочностью теоретических моделей Солнца, а с изменениями, которые претерпевают сами нейтрино на пути от Солнца к Земле». Эти результаты подстегнули интерес к исследованию осцилляций нейтрино, а также заставили вновь задуматься о том, обладают ли нейтрино ненулевой массой.