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

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».

Например, когда в ядре сверхновой протоны сливаются с электронами и образуют нейтроны, возникает выброс частиц, практически на 100 % состоящий из электронных нейтрино. Но на пути из ядра эти нейтрино могут осциллировать (менять аромат), превращаясь в нейтрино других сортов. «Поэтому если выяснится, что этот первичный всплеск состоит из нейтрино разных сортов, а не только электронных нейтрино, то узнаем об осцилляциях много нового», – полагает Скулберг. К сожалению (об этом пойдет речь в главе 8), Министерство энергетики США одобрило постройку лишь базовой модели LBNE, возможности которой будут серьезно ограничены. Тем временем европейские и японские физики предлагают собственные проекты нейтринных обсерваторий, которые будут улавливать нейтрино всех трех ароматов и будут весьма кстати, если где-то в нашей Галактике произойдет взрыв сверхновой.

Физики-теоретики, в свою очередь, при помощи компьютерных симуляций уточняют все более тонкие детали моделей сверхновых. «Возможно, описание процессов, происходящих в первую секунду после взрыва сверхновой, – это задача для суперкомпьютеров уже следующего поколения», – считает Алекс Фридленд. Но при этом он уточняет: «Думаю, что имеющиеся расчеты довольно точно описывают явления, происходящие в течение первых нескольких секунд». Особенно сложно спрогнозировать, как нейтрино будут взаимодействовать друг с другом в сверхплотном ядре сверхновой и менять при этом ароматы. «Необходимо просчитать квантовую механику для целого ансамбля частиц», – отмечает Фридленд.

Следует рассказать и еще об одной «обсерватории» принципиально иной конструкции, которая потенциально может дать совершенно уникальные сведения, особенно если при этом она также поможет обнаруживать нейтрино; эта обсерватория вскоре будет готова к изучению взрыва сверхновой, если он произойдет. Речь идет об обсерватории LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), два корпуса которой расположены на расстоянии около 3000 км друг от друга – в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. В обоих комплексах имеется L-образная система туннелей. Туннели в каждой паре расположены перпендикулярно друг к другу, длина каждого из них составляет 4 км. Каждый из туннелей насквозь просвечивается лазерным лучом, пропущенным через длинную вакуумную трубку. На пункте управления установлена точнейшая аппаратура, позволяющая уловить малейшие изменения в расстоянии, преодолеваемом лучом лазера. Если LIGO зарегистрирует подобное изменение пути между двумя туннелями хотя бы в одну тысячную ширины протона, это будет означать, что на пути лазера оказались гравитационные волны. Гравитационные волны – это легкая рябь, разбегающаяся по ткани пространства под действием далекого катаклизма. Эти тончайшие «космические складки» были предсказаны еще в рамках гравитационной теории Альберта Эйнштейна, но до сих пор их не удавалось наблюдать непосредственно. Гравитационные волны настолько незаметны, что даже от проезжающего мимо вас грузовика возникает более сильная вибрация, чем от столкновения двух нейтронных звезд в космосе. Именно поэтому в эксперименте LIGO два комплекта идентичного оборудования установлены в двух удаленных друг от друга лабораториях: необходимо отличать подлинный космический сигнал от многочисленных «локальных» помех.

В 2011 г. мне довелось побывать в комплексе Хэнфорд. Я добирался туда на машине из Сиэтла, перевалив в снежный день через Каскадные горы. Обсерватория как раз была в процессе масштабного усовершенствования. Когда эти работы будут завершены, новая лаборатория под названием «Advanced LIGO» должна обладать достаточной чувствительностью, чтобы уловить гравитационное возмущение от столкновения двух нейтронных звезд, произошедшего даже в миллиарде световых лет от нас. Кроме того, эта обсерватория должна «услышать» последний вздох массивной звезды, если она погибнет где-нибудь поблизости от нас (по космическим меркам) и если взрыв окажется достаточно несбалансированным. Если коллапс звезды будет протекать плавно и симметрично, то мы не услышим практически ничего, так как симметричные гравитационные волны гасят друг друга. Однако при хаотическом коллапсе, который распространяется неравномерно, возникнет отчетливый гравитационный волновой сигнал. Это вполне может произойти в том случае, когда сжимающееся ядро звезды бешено вращается, приобретая форму футбольного мяча.

Действительно, существуют доказательства в пользу того, что взрывы сверхновых бывают асимметричными. Астрономы уже наблюдали ряд нейтронных звезд, предположительно образовавшихся при взрывах сверхновых. Эти нейтронные звезды мчатся по космосу со скоростью несколько сотен километров в секунду. Кроме того, вскоре после рождения нейтронной звезды сверхплотная материя ее ядра начинает плескаться, как будто неистовое вращение взбалтывает это вещество. В результате образуются гравитационные волны. «Было бы особенно интересно зарегистрировать и гравитационные волны, и нейтрино от одной и той же сверхновой», – отмечает Кейт Скулберг. Компьютерные модели позволяют предположить, что если эти данные будут получены вместе, то ученые смогут измерить скорость вращения коллапсирующего ядра, выяснив при этом детали физики взрыва. Результаты наблюдения ознаменуют начало подлинной «всесигнальной» астрономии, которая позволит ученым получать взаимодополняющую информацию одновременно и от электромагнитного излучения, и от нейтрино, и от гравитационных волн.

Как ни головокружительны все эти перспективы, они могут стать реальностью не раньше, чем где-нибудь в ближней части Галактики произойдет взрыв сверхновой. Скулберг и Биком в один голос признаются, что такое долгое ожидание очень томительно. Биком описывает свои ощущения так: «Ты как будто надолго задерживаешь дыхание». Проблема заключается в том, что современные обсерватории недостаточно чувствительны, чтобы зафиксировать большое количество нейтрино от сверхновых, взрывающихся в других галактиках. Например, Super-K сможет зафиксировать в лучшем случае один нейтрино, образовавшийся при взрыве сверхновой в Туманности Андромеды – это ближайшая к Млечному Пути соседняя галактика, расположенная примерно в полумиллионе световых лет от нас. Гораздо более крупные, еще не построенные детекторы, например, вышеупомянутая установка LBNE, позволили бы в таком случае зарегистрировать несколько десятков попаданий нейтрино – но этого также совершенно недостаточно, чтобы удовлетворить аппетиты охотников за нейтрино.

Биком и его коллеги решили пойти другим путем: они надеются взглянуть на море астрофизических нейтрино, накопившихся в космосе после многочисленных взрывов сверхновых с коллапсом ядра, которые произошли с начала времен. В среднем каждую секунду во Вселенной взрывается хотя бы одна звезда, поэтому в пространстве должны постоянно существовать бесчисленные нейтрино, образовавшиеся при взрывах сверхновых. Биком стремится разглядеть все это множество нейтрино, так называемый «диффузный фон астрофизических нейтрино», образовавшихся после взрывов сверхновых. По оценке Бикома, на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли ежесекундно выпадает несколько сотен астрофизических нейтрино – подлинное изобилие по сравнению с солнечными нейтрино и теми, которые образуются в земной атмосфере под действием космических лучей. Биком считает, что «это очень слабый сигнал, но у нас есть все основания надеяться, что вскоре мы его зафиксируем». Самое сложное в данном случае – отличить астрофизические нейтрино, образовавшиеся при взрывах сверхновых, от гораздо более многочисленных «местных» частиц. Биком с коллегами предположили, что для решения этой задачи можно было бы растворить в гигантском водном резервуаре Super-K немного серебристо-белого металла гадолиния (такая уловка позволила бы повысить чувствительность этого детектора к астрофизическим нейтрино). Цель исследователей – понять, как выглядит выброс нейтрино от типичного взрыва сверхновой, но при этом не дожидаться, пока произойдут «свежие» взрывы такого рода.