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

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».

Позже, будучи студенткой колледжа Свартмор, Конрад посещала курс квантовой механики и очень интересовалась новейшими исследованиями, связанными с субатомным миром. Она смогла попасть на летнюю практику в Гарвард, где стала работать в лаборатории; там она участвовала в изучении свойств пучков частиц, генерируемых на циклотроне, в частности, их применения для лечения рака глаз. Но лишь на третьем курсе, после визита в лабораторию Fermilab, Конрад окончательно определилась со сферой своих научных интересов. В настоящее время Конрад занимает пост профессора в Массачусетском технологическом институте, где занимается проблемами нейтрино. Конрад удается сочетать любовь к науке и страсть к разгадыванию тайн. Однажды она образно отметила: «Детектив может и не быть ученым, но ученый – обязательно детектив». Она считает, что нейтрино могут дать ключ к решению величайших космологических загадок, и оптимистически смотрит в будущее – по мнению Конрад, в ближайшие 10 лет нас ожидают фундаментальные открытия в этой области. «Мы подходим к самому интересному. Потребовалось немало времени, чтобы достичь этого этапа, но сегодня мы можем находить ответы на важнейшие вопросы, подкрепляя их точными измерениями», – считает она.

Действительно, физики проделали долгий путь с тех пор, как Бруно Понтекорво впервые предположил, что нейтрино могут страдать от своеобразного «раздвоения личности». Благодаря открытиям, совершенным в Kamiokande и SNO, эти неутомимые исследователи смогли решить нелегкую проблему дефицита солнечных нейтрино, с которой не один десяток лет тягались Рэй Дэвис и Джон Бакал, рискуя собственной репутацией. Кроме того, охотники за нейтрино установили, что у этих частиц действительно есть масса – чем впервые доказали, что физика не ограничивается Стандартной моделью. Также удалось открыть, что нейтрино трех сортов могут превращаться друг в друга, меняя аромат. При помощи разнообразных высокоточных экспериментов ученые все точнее разбираются в деталях причудливых свойств этих частиц-хамелеонов. При этом они не только раздвигают границы фундаментальной физики, но и разрабатывают ценный инструментарий для космологии и астрофизики. В следующей главе мы поговорим о том, как астрономы при помощи нейтрино анализируют колоссальные взрывы, происходящие во Вселенной.

Глава 6

Взрывающиеся звезды

Ла-Серена – тихий приморский городок, расположенный примерно в 500 км от чилийской столицы Сантьяго. Лишь на пару месяцев в году, во время курортного сезона, Ла-Серена оживает, принимая множество отпускников. Большинство гостей приезжают сюда позагорать на золотых пляжах, некоторых привлекает неоколониальная архитектура города, а также его окрестности; этот район славится своими винодельнями, где варят писко – крепкий алкогольный виноградный напиток. До сих пор между чилийцами и перуанцами не утихают споры о том, в какой из двух стран был впервые приготовлен этот напиток. Севернее Ла-Серены пролегает легендарная трасса – Панамериканское шоссе. Именно здесь дорога постепенно идет вверх, извиваясь вдоль склонов Андского хребта, пересекая сухие речные долины, усыпанные валунами. Кроме колючего кустарника и кактусов здесь почти нет зелени. Между камней у дороги иногда проскочит вискача – грызун, похожий на кролика, над головой время от времени можно заметить парящего ястреба. Примерно через 130 км после выезда из города дорога сворачивает вправо к горам. Уже с развилки можно заметить группу белых куполов, как будто из сказки, – они вырисовываются на фоне неба и видны издалека. Последний рывок на вершину Лас-Кампанас пролегает по крутой узкой дороге, высеченной в горном склоне, – и вот астрономы наконец оказываются на горном пике высотой 2282 м. Днем с вершины открывается живописный вид, но он не выдерживает никакого сравнения с завораживающим ночным зрелищем, когда через все небо перекидывается искрящаяся звездами дуга Млечного Пути, а сбоку от него просматриваются два размытых ярких пятна – Магеллановы облака, Малое и Большое.

В ночь с 23 на 24 февраля 1987 г. здесь в Лас-Кампанасе находился Иэн Шелтон – 30-летний канадец родом из города Виннипег. В этой обсерватории он работал в качестве постоянного наблюдателя на небольшом 600-мм телескопе, принадлежащем Университету Торонто. Шелтон не только успевал регистрировать данные, которые требовались торонтским астрономам, но и находил время повозиться с еще одним телескопом поменьше – 250 мм, также установленным на этой горе. Возраст телескопа был уже значительным – более полувека. Он был установлен в небольшом сарае, причем даже не имел автогида для отслеживания звезд, поэтому Шелтону приходилось следить за небом вручную. В ту ночь Шелтон в очередной раз направил маленький телескоп на Большое Магелланово Облако – одну из галактик-спутников Млечного Пути. Длительные экспозиции этой карликовой галактики Шелтон запечатлевал на старомодных фотопластинках; затем он собирался изучить полученные снимки и поискать в глубинах Облака переменные звезды.

В предрассветный час 24 февраля, уже собираясь идти спать, Шелтон решил проявить последнюю фотопластинку, отснятую этой ночью. Он извлек пластинку из проявочного бачка и присмотрелся к ней – хотел проверить, насколько правильная была экспозиция. Тут он обратил внимание на странную деталь – необычное яркое пятно рядом с хорошо известной туманностью Тарантул (по форме она действительно напоминает паука). Ученый задумался, что бы это могло быть, и решил, что ему просто попалась дефектная пластинка. Просто чтобы лишний раз в этом удостовериться, он вышел на чистый сухой горный воздух и взглянул на небо невооруженным глазом. В Большом Магеллановом Облаке он сразу заметил яркую звезду, которой там не было еще прошлой ночью. Шелтон поспешил к еще одному телескопу, расположенному рядом на горном кряже, чтобы поделиться этой новостью. Шелтон рассказал о своей загадочной находке двум другим астрономам, дежурившим на контрольном пункте, – Барри Мадоре и Уильяму Кункелю. Пока они об этом беседовали, чилиец Оскар Духальде – оператор телескопа – добавил, что и он несколько часов назад заметил эту звезду, когда выходил на улицу подышать воздухом. Все четверо пришли к выводу, что перед ними – сверхновая. Так называется взорвавшаяся звезда, которая в течение короткого времени может сиять ярче, чем миллиарды солнц. Астрономия не знает каких-либо иных небесных тел, чья яркость может меняться так плавно и при этом быстро. Еще вчера ночью будущую сверхновую не мог зарегистрировать телескоп, а уже сегодня она легко видна невооруженным глазом. Оставалось признать, что Шелтон и Духальде действительно открыли сверхновую, взорвавшуюся в галактике-спутнике Млечного Пути.

На противоположном берегу Тихого океана, в приморском новозеландском городке Нельсон той ночью не спал еще один человек – бывший лавочник и страстный астроном-любитель Альберт Джонс. Джонс тоже высматривал переменные звезды в Большом Магеллановом Облаке. Будучи настоящим энтузиастом, он то и дело засиживался за телескопом, который установил у себя на заднем дворе, и глядел в небеса. В ночь на 24 февраля Джонс заметил яркую голубую звезду, явно не относившуюся к Большому Магеллановому Облаку. Он был уверен, что ранее точно не видел этой звезды, поэтому отметил, какое положение она занимает относительно других звезд, расположенных в поле зрения. Прежде чем Альберт смог с уверенностью оценить яркость этой звезды, набежали облака, и звезда исчезла из вида. Джонс предположил, что это, вероятно, сверхновая, поэтому сообщил о ней другим астрономам, посоветовав им также отыскать эту звезду и следить за тем, как она будет меняться. Оказалось, что Джонс действительно открыл ту же самую сверхновую, которую заметили Шелтон и Духальде, – но совершенно независимо от них и на несколько часов раньше.