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

В провидческой статье, опубликованной в 1934 г., Бааде и Цвикки писали: «Со всеми подобающими оговорками мы выдвигаем гипотезу, что сверхновая представляет собой переходную стадию от обычной звезды к нейтронной, состоящей главным образом из нейтронов. Такая звезда может обладать очень малым радиусом и чрезвычайно высокой плотностью». Их озарение кажется тем более примечательным, учитывая, что нейтрон был открыт всего двумя годами ранее. Затем Цвикки решил найти как можно больше сверхновых, вооружившись для этого телескопом с широким полем обзора. За всю жизнь Цвикки открыл более 120 сверхновых.

Современные астрономы, занимающиеся наблюдением других галактик, полагают, что в Млечном Пути каждые 100 лет должны взрываться хотя бы несколько массивных звезд. Но мы вполне можем пропустить сверхновую, если взрыв произойдет слишком далеко от нас, так как межзвездная пыль не позволяет заглянуть в дальние пределы нашей галактики. Действительно, недавние наблюдения, выполненные в рентгеновском и радиодиапазоне, показали, что около 150 лет назад вблизи от центра Галактики произошел сверхновый взрыв, который, однако, на Земле остался незамеченным. Но если межзвездное вещество и заслоняет от нас видимый свет сверхновой, оно не в силах остановить поток нейтрино. Поэтому сильный всплеск нейтрино должен означать, что где-то в Млечном Пути погибла массивная звезда. Мы располагаем высокочувствительными детекторами нейтрино, которые работают уже около четверти века, но пока не зарегистрировали взрыва сверхновой в нашей Галактике. Раффельт отмечает: «Такой шанс бывает раз в жизни, поэтому мы должны быть начеку».

Кейт Скулберг из Университета Дюка придерживается такого же мнения. Она вместе с коллегами участвовала в создании Системы раннего оповещения о взрывах сверхновых (сокращенно SNEWS). Это централизованная сеть, призванная максимально оперативно зарегистрировать коллапс звездного ядра, если такое явление произойдет в Галактике. По всему миру установлены детекторы, которые могут зафиксировать потоки нейтрино от сверхновой; планируется, что такие детекторы (например, «Ледяной куб» в Антарктиде, Large Volume Detector и Борексино в Италии, Super-K в Японии)[32] позволят выделить «потенциальные» сверхновые взрывы и отправят всю эту информацию в Брукхейвенскую национальную лабораторию на острове Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк. «Если сразу несколько детекторов нейтрино сработают одновременно, вполне вероятно, что где-то неподалеку произошел взрыв сверхновой», – объясняет Скулберг.

Если компьютер SNEWS обнаружит, что сигналы от двух детекторов поступят с небольшой разбежкой (порядка 10 с), то он разошлет оповещение об этом по всем обсерваториям в мире. Чтобы сигнал распространялся с максимальной скоростью, система должна работать без участия человека. Скулберг и ее коллеги надеются, что наземные и орбитальные телескопы рано или поздно зафиксируют электромагнитное излучение от взрыва сверхновой – в частности, оптическое, рентгеновское или радиоизлучение, – что позволит наблюдать развитие сверхнового взрыва, начиная с самых ранних этапов. Есть только одна загвоздка: большинство детекторов нейтрино не позволяют с уверенностью определить, откуда именно пришли эти частицы, поэтому астрономам будет не так просто найти сверхновую. «Тем не менее оповещение позволит немедленно подключить к поискам телескопы с широким полем обзора. Плюс у нас есть множество астрономов-любителей; многие из них превосходно умеют искать новые объекты в небе, – считает Скулберг, – идея заключается в том, чтобы после сигнала как можно больше людей начали искать эту звезду по всему небу и у нас был шанс заметить вспышку пораньше».

Скулберг подчеркивает, что «изучив нейтрино, возникшие при сверхновом взрыве в Галактике, мы узнаем ответы на множество вопросов. Такое событие можно сравнить с информационным рогом изобилия». Детекторы зафиксируют, как со временем изменяются количество и энергия поступающих нейтрино; эти данные помогут понять, как разворачивается взрыв. В частности, ученые смогут определить, сжимается ли звездное ядро до предела, превращаясь в черную дыру, откуда ничто не может ускользнуть – даже нейтрино, – либо вскоре коллапс приостанавливается, и на месте сверхновой остается нейтронная звезда. Если в итоге образуется черная дыра, то поток нейтрино внезапно прекратится. Если же в итоге мы получим нейтронную звезду, то этот звездный огарок будет продолжать испускать нейтрино еще примерно на протяжении 10 с после того, как полностью остынет, он не сразу иссякнет. Скулберг поясняет, что во втором случае «мы сможем наблюдать изначальное охлаждение нейтронной звезды и исследовать свойства сверхплотной материи».

Кроме того сверхновая должна пролить свет на природу самих нейтрино и подсказать ответы на некоторые нерешенные вопросы, которые мы обсуждали в последней главе. Например, физикам никак не удается определить так называемую «иерархию масс» нейтрино. Фактически известно, что должно существовать два тяжелых сорта нейтрино плюс один легкий либо два легких плюс один тяжелый. Возможно, ответ на этот вопрос будет получен только после изучения нейтрино от взрыва сверхновой в Галактике. Более того, в ядре сверхновой концентрация нейтрино так велика, что нейтрино могут взаимодействовать друг с другом, тогда как в иных условиях просто «не замечают» существования других нейтрино. В ходе таких взаимодействий свойства нейтрино могут изменяться. «Мы можем уловить аномалии в их свойствах, что поможет нам увидеть новую физику, не ограниченную Стандартной моделью». Джон Биком соглашается со Скулберг: «Мы можем узнать о нейтрино такую информацию, которую невозможно выяснить в лаборатории».

К счастью, некоторые из существующих детекторов нейтрино – в том числе Super-K, Борексино и «Ледяной куб» – могут зарегистрировать нейтрино от взрыва сверхновой, в какой бы части Млечного Пути он ни произошел. Например, Super-K поймает несколько тысяч таких нейтрино, если взрыв произойдет около центра Галактики, то есть на расстоянии порядка 25 000 световых лет от нас. Он даже позволяет определить, откуда пришли нейтрино (с точностью до нескольких градусов), что соответствует области неба, в несколько раз шире диска полной Луны. Обсерватория «Ледяной куб» в подобном случае зарегистрирует около миллиона нейтринных событий, и именно она лучше всего позволила бы отслеживать изменения потока нейтрино с течением времени. Дело в том, что «Ледяной куб» может разбивать такой поток событий на кратчайшие временные интервалы, каждый из которых не превышает нескольких тысячных долей секунды. «Мы сможем наблюдать всю десятисекундную историю взрыва сверхновой, разделенную на эпизоды длительностью по несколько миллисекунд, – говорит ведущий исследователь лаборатории «Ледяной куб» Френсис Хальцен из Висконсинского университета в Мэдисоне, – и уловить тот самый момент, в который образуется нейтронная звезда».

При взрыве сверхновой образуются нейтрино всех трех ароматов – электронные, мюонные и тау-нейтрино, а также соответствующие им античастицы, но наши детекторы пока не могут зарегистрировать все разнообразие частиц. Разумеется, ученые хотели бы исследовать все три аромата, а также соответствующие сорта античастиц. «Изучать всего один аромат нейтрино – все равно что фотографировать через монохромный светофильтр», – говорит Скулберг. Она же хотела бы увидеть «всю гамму». Чтобы получить такую «цветную картинку», Скулберг вместе с канадскими коллегами первым делом собирается сконструировать специальный аппарат, который будет называться «Гелиево-свинцовая обсерватория» (HALO). Аппарат HALO будет располагаться в лаборатории SNOLAB на севере канадской провинции Онтарио. В качестве детекторного материала в HALO будут применяться 80 т свинца. В таком случае HALO будет обладать уникальной чувствительностью к электронным нейтрино, поэтому дополнит работу иных имеющихся детекторов, которые регистрируют соответствующие античастицы. По сравнению с остальными детекторами нейтрино аппарат HALO совсем маленький, поэтому он сможет обнаружить лишь такую сверхновую, которая взорвется не слишком далеко от нас в пределах Млечного Пути. Поскольку мы практически не представляем, в какой точке Галактики может произойти следующий взрыв сверхновой, сложно обосновать необходимость постройки крупной нейтринной обсерватории именно для таких исследований. «Пока ваш детектор дожидается взрыва сверхновой, он должен выполнять и какую-либо повседневную работу», – объясняет Скулберг.

Именно с таким расчетом разрабатывается новый проект, называемый LBNE (Нейтринный эксперимент с длинной базой)[33]. Предполагается, что этот аппарат будет построен в уже упоминавшемся золотом руднике Хоумстейк на территории штата Южная Дакота. В LBNE будет использоваться гигантский резервуар, заполненный 30 000 т охлажденного жидкого аргона. Он будет принимать поток нейтрино или антинейтрино, идущий сквозь толщу пород из лаборатории Фермилаб, расположенной в 1300 км от Южной Дакоты, и фиксировать, как эти частицы меняют аромат. Но при этом LBNE также сможет улавливать различные типы нейтрино, которые могут прилететь к Земле при взрыве сверхновой в нашей Галактике. «Измеряя ароматы нейтрино и их изменение с течением времени, мы получим массу информации о самых разнообразных феноменах, – считает Скулберг, – мы узнаем не только о том, каковы условия в ядре сверхновой, но и подробнее исследуем природу осцилляций нейтрино».