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

Один из крупнейших нейтринных экспериментов, ведущихся в настоящее время, называется «T2K», – эта аббревиатура означает «Токай – Камиока». В ходе эксперимента мощный луч нейтрино направляется через японский остров Хонсю. Ускоритель частиц, где образуются нейтрино, расположен в городе Токай на восточном побережье Японии, а детектор находится в районе Камиока на западе острова, примерно в 290 км от Токая. Кстати, город Токай в Японии довольно известен – именно на него в нескольких японских фильмах нападает монстр Годзилла. Строительство и последующая эксплуатация этого комплекса осуществляется международной коллаборацией, в которой заняты около 500 ученых из 12 стран. Сбор экспериментальных данных начался в январе 2010 г. Предполагалось, что первые результаты будут объявлены на семинаре в Токио, который был запланирован на 11 марта 2011 г. в 15.00 по токийскому времени. Однако всего за 14 минут до начала этого мероприятия на северо-восточном побережье Японии разразилось катастрофическое землетрясение силой 9 баллов по шкале Рихтера. Это было сильнейшее землетрясение, когда-либо зарегистрированное в стране, на берег обрушились опустошительные цунами. По сделанным впоследствии оценкам, общее количество жертв землетрясения и цунами составило более 15 000 человек, а суммарный экономический ущерб превысил $200 млрд. Самой серьезной катастрофой в ходе этих событий стала авария на атомной станции «Фукусима», где из-за волн цунами остались без электропитания охладительные системы реактора, причем стихия уничтожила даже резервные дизельные генераторы.

Брайан Кирби, аспирант из Университета Британской Колумбии (UBC) в Канаде, прибыл в Токай за день до землетрясения, чтобы заступить на двухнедельную смену в аппаратном зале нейтринной лаборатории. Когда днем 11 марта все здание внезапно затряслось, он и еще несколько сотрудников спрятались под столом. «Толчки продолжались довольно долго», – вспоминал Брайан. Вскоре отключилось электричество. Когда толчки поутихли, Кирби с коллегами выбрались наружу. «Еще несколько минут продолжались афтершоки[28], земля казалась зыбкой», – рассказывает Кирби. Он не представлял, на каком расстоянии от эпицентра расположен Токай, каким разрушительным оказалось это землетрясение в районе города Сендай, всего в 200 км севернее. Убедившись, что стихия улеглась, Брайан с коллегами сели на велосипеды, покатили к дому, который арендовали неподалеку, и устроили барбекю, пока запасенные продукты в холодильнике не испортились – ведь электричества не было.

Спустя несколько часов в Ванкувере Скотта Озера разбудила жена и рассказала, что в Японии произошло сильное землетрясение. Озер работал профессором в университете Британской Колумбии – именно он был канадским представителем коллаборации T2K, выполнявшим обязанности спикера, и именно под его руководством Кирби защитил диссертацию. Озер открыл онлайновую карту и убедился, что эпицентр землетрясения был не так далеко от Токая. Он сразу же проверил электронную почту, надеясь найти в ящике письмо от своего аспиранта. Озер обнаружил массу сообщений от коллег по T2K, работавших за пределами Японии, а последнее письмо в папке «Входящие» было как раз от перепуганной матери Брайана Кирби. Озер послал ей японский номер мобильника Кирби и попытался позвонить парню сам. К удивлению и облегчению профессора, Кирби поднял трубку. Аспирант сообщил, что у него все нормально, только нет электричества, Интернета и батарея в телефоне садится. Сотрудники T2K организовали эвакуацию коллег из Токая вглубь острова, а затем и из Японии. Кирби покинул Японию спустя несколько дней.

Оставалось только гадать, в каком состоянии оказался эксперимент T2K. Озер признался: «Мы не питали надежд, что после девятибалльного землетрясения что-то могло уцелеть. По дорогам было невозможно проехать, несколько недель не было электричества, поэтому прошло немало времени, пока мы смогли отправить человека в Токай – проверить, в каком состоянии лаборатория». К счастью, разрушения оказались гораздо меньше, чем могло показаться. Здания, крепко вмурованные в породу, большей частью остались неповрежденными, но многие окружающие подъездные пути провалились, оборвались некоторые силовые кабели, была выведена из строя водяная система охлаждения комплекса. Благодаря барьерам от цунами морские волны не попали в лабораторию. Тем не менее ремонт продлился более года. Сбор данных в эксперименте T2K возобновился лишь в апреле 2012 г.

Согласно тем данным, которые были получены до землетрясения и анонсированы в июне 2011 г., некоторые мюонные нейтрино действительно превращаются в электронные. Более ранние исследования, проводившиеся в SNO и Super-K, позволили зарегистрировать два других вида осцилляций нейтрино, однако непосредственно наблюдать превращение третьего типа удалось только в T2K. Из множества мюонных нейтрино, полученных в Токае, 88 попали и в детектор Камиока, расположенный примерно в 290 км к западу. Причем шесть из этих 88 оказались в Камиока, уже будучи электронными нейтрино, хотя исходный луч состоял лишь из мюонных нейтрино. Очевидно, эти шесть частиц изменили аромат по пути. Эд Кёрнс признавался: «Хотя мы и изучаем осцилляции нейтрино уже долгие годы, эти шесть превращений воспринимались с глубоким трепетом». Линдли Уинслоу из Массачусетского технологического института также считает, что обнаружение этих шести частиц является важной вехой в физике нейтрино; по ее словам, это «шесть самых популярных событий, связанных с нейтрино». Эти первые результаты T2K оказались явно недостаточными, чтобы точно измерить значение третьего угла смешивания; все-таки шесть актов осцилляции – это очень мало. Однако данные результаты позволили убедиться, что величина Ө13 действительно не равна нулю. В свою очередь, это позволяет предположить, что нейтрино и антинейтрино отличаются по свойствам, в частности по-разному взаимодействуют с материей.

Три других эксперимента, связанные с уточнением Ө13, велись по горячим следам опытов с T2K. Один из них проводится в деревушке Шо на северо-востоке Франции; физики измеряют свойства нейтрино, образующихся в промышленном ядерном реакторе в ходе его эксплуатации. Ученые установили один детектор в непосредственной близости от реактора, а второй – на расстоянии 1 км от первого, чтобы можно было измерить темпы исчезновения электронных нейтрино. Осенью 2011 г. физики сообщили о результатах первых 100 дней эксперимента Double Chooz – он получил такое название, поскольку в Шо установлено два детектора. Измерения, выполненные французской группой, дали независимое подтверждение тому, что значение Ө13 действительно ненулевое, но не позволили с достаточной точностью определить это значение. Другой эксперимент, поставленный в бухте Дайя-Бэй в Китае, более чувствителен к таким изменениям. Дело в том, что в Дайя-Бэй установлен один из самых мощных промышленных ядерных реакторов в мире; не менее удобно, что огромные детекторы установлены глубоко под землей, благодаря чему удается по максимуму исключить помехи, связанные с космическими лучами. Проанализировав данные, полученные в Дайя-Бэй всего за два месяца, коллаборация Дайя-Бэй уже в марте 2012 г. объявила, что их эксперимент впервые позволил вполне точно измерить значение Ө13. Ученые выяснили, что около 6 % электронных нейтрино успевают исчезнуть на пути между реакторами и детекторами, протяженность которого составляет примерно 2 км. Примерно через месяц третий эксперимент под названием RENO[29], поставленный в Южной Корее, подтвердил результаты, полученные в Дайя-Бэй, хотя и с меньшей точностью. Кам-Бю Люк, спикер коллаборации Дайя-Бэй, работающий в США, сообщает: «Оказывается, что значение Ө13 довольно внушительное. Это сюрприз, причем приятный». Он считает, что «это открытие позволяет ученым совершенно по-новому взглянуть на многие вещи. Так, физики-теоретики наконец смогут выйти за рамки Стандартной модели».

Джанет Конрад из Массачусетского технологического института, работающая на эксперименте Double Chooz, также с воодушевлением воспринимает зарождающуюся «точную физику нейтрино». Конрад, выросшая на севере штата Огайо, в детстве увлекалась фантастическим сериалом «Звездный путь», любила смотреть на звезды в телескоп, который был у ее друга. Она мечтала стать астрономом или офицером по науке на звездолете. Правда, когда Джанет познакомилась с книгами о Нэнси Дрю[30] и Шерлоке Холмсе, ее предпочтения изменились: теперь она подумывала о карьере сыщика. Однако впоследствии мечты о небе вновь привели Джанет к науке. Будучи подростком, Конрад просыпалась в предрассветный час, чтобы опрыскать теплой водой сортовые георгины, которые выращивала в саду вместе с отцом (ученым-агрономом) для выставок. Однажды утром, когда в лицо уже веял прохладный осенний ветер, ей довелось увидеть северное сияние. Девушка была просто зачарована ярким зрелищем, которое возникает из-за того, что прилетающие с Солнца заряженные частицы бомбардируют земную атмосферу. Она вспоминает, что эти зори были «такими невероятно прекрасными, такими захватывающими».