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

Нейтрино, в принципе, позволяют увидеть Вселенную такой, какой она была прямо после возникновения. Пока мы можем заглянуть во времена, наступившие примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, – до этого кипящий первозданный бульон из элементарных частиц, наполнявший юную Вселенную, был непроницаем для видимого света (и других видов электромагнитного излучения). Нейтрино, в свою очередь, позволяют исследовать гораздо более раннюю эпоху, так как они свободно перемещались в пространстве, не взаимодействуя с обычным веществом, уже спустя считаные секунды после образования Вселенной. Эти реликтовые нейтрино должны быть повсюду вокруг нас, в среднем по 150 на каждый кубический сантиметр пространства. Правда, на настоящий момент они должны обладать крайне малыми энергиями, и мы пока не знаем, как обнаружить эти частицы. Некоторые физики надеются, что запланированные эксперименты позволят регистрировать как минимум несколько реликтовых нейтрино ежегодно, хотя для научных измерений требуется гораздо больше этих частиц.

В то же время нейтрино очень важны для астрофизиков, поскольку свойства нейтрино определяют жизненные циклы звезд, образование тяжелых элементов при ядерном синтезе; от свойств нейтрино зависят феерические взрывы сверхновых, а при таких взрывах во Вселенной распространяются вещества, необходимые для зарождения жизни. Нейтрино имеют огромное значение для ядерной физики, поскольку при работе ядерных реакторов и взрывах атомных бомб образуется умопомрачительное количество этих частиц.

Даже геофизики обращают внимание на нейтрино. Они надеются, что нейтрино помогут окончательно решить давний вопрос о том, каковы источники тепла, подогревающие земные недра. Спор об этом явлении впервые возник около 150 лет назад между естествоиспытателем Чарльзом Дарвином и физиком Уильямом Томсоном (позже известным под именем Лорд Кельвин). В первом издании книги «Происхождение видов путем естественного отбора»[39], опубликованном в 1859 г., Дарвин рассчитал, что на образование большой долины на юге Англии должно было потребоваться около 300 млн лет – то есть возраст Земли должен быть не меньше. Следовательно, заключал Дарвин, Земля существует достаточно давно, и за это время эволюционный процесс вполне мог привести к возникновению биоразнообразия, наблюдаемого сегодня. Томсон, один из величайших ученых своего времени, критиковал теорию естественного отбора, поэтому сомневался в предположении Дарвина. Он самостоятельно оценил возраст Земли, рассуждая так: изначально Земля находилась в расплавленном состоянии, а затем постепенно остывала. Что касается Солнца, Кельвин полагал, что Солнце медленно сжимается под действием собственной гравитации и поэтому разогревается. По обеим оценкам Кельвина возраст Земли получался явно недостаточным для биологической эволюции. Дарвина беспокоили расхождения между его оценками возраста Земли и оценками Томпсона. В письме Альфреду Расселу Уоллесу, одному из первооткрывателей естественного отбора, Дарвин сетовал: «Меня очень беспокоит малый возраст нашего мира по сэру У. Томсону». В более поздних изданиях своего труда Дарвин вообще опустил всяческие упоминания о хронологии.

В те времена наука еще не знала о ядерных реакциях – именно они, как нам сегодня известно, обеспечивают горение Солнца. Кроме того, еще не была открыта радиоактивность, под действием которой подогреваются горные породы. Следовательно, оценки Томпсона получились заниженными, так как не учитывали этих источников энергии. Сегодня возраст Земли и Солнечной системы известен с большой точностью благодаря радиометрической датировке древних горных пород и метеоритов, мы имеем более реалистичную оценку: возраст Земли составляет около 4,5 млрд лет, и этого более чем достаточно для кардинальных геологических изменений и масштабной биологической эволюции.

Однако геофизики до сих пор не могут определить, какая часть земного тепла выделяется в результате распада радиоактивных элементов, а какая обусловлена постепенным остыванием нашей планеты, которая когда-то была огненным шаром. Считается, что большая часть естественной теплоты нашей планеты связана с делением ядер урана и тория, однако точные запасы этих элементов до сих пор не известны, поскольку они сильно рассеяны в земных недрах. Таким образом, сегодня мы гораздо полнее представляем себе состав Солнца, чем состав Земли.

Сегодня благодаря современным высокочувствительным детекторам ученые могут зондировать недра нашей планеты, наблюдая за антинейтрино, образующимися в ходе распада радиоактивных ядер в земных породах. Технические возможности для этого появились недавно, но сама идея подобных исследований не нова. Еще в 1953 г. в письме Фредерику Рейнесу известный физик и специалист по космологии Георгий Гамов указывал, что существует возможность обнаружить нейтрино земного происхождения. Позже, в начале 1980-х, трое других физиков – Лоренс Краусс, Шелдон Глэшоу и Дэвид Шрамм – подробно рассчитали, сколько нейтрино должно образовываться в земной коре каждую секунду. «Воодушевившись замечательными экспериментами, которые позволили открыть солнечные нейтрино… мы с коллегами стали размышлять о других естественных источниках нейтрино. Один из них оказался буквально у нас под ногами, – вспоминает Краусс. – Когда мы подсчитали, сколько таких нейтрино могут образовываться в результате распада радиоактивных элементов, находящихся в Земле, у нас получилось почти такое же большое число, как примерное количество нейтрино, прилетающих на Землю с Солнца, даже в низкоэнергетическом спектре». Он добавляет: «Мы также осознали, что перед нами стоит гораздо более сложная задача, чем перед Дэвисом, пытавшимся обнаружить солнечные нейтрино (не говоря о том, насколько труднодостижима была и его цель). Вот мы и написали статью, в которой предположили, что такое исследование никогда не будет проведено».

Трое коллег-физиков показали, что, в принципе, антинейтрино позволят нам заглянуть глубоко в недра Земли и способны немало сообщить о составе нашей планеты, поскольку количество частиц, испускаемых каждую секунду, непосредственно характеризует общую радиоактивность Земли. Поэтому при наблюдении таких нейтрино, образующихся в горных породах (сегодня они называются «геонейтрино»), можно определить количество урана и тория в земной коре и глубже – в мантии.

А теперь перенесемся в Японию на два десятилетия вперед. В 2005 г. с помощью детектора KamLAND, изначально построенного для проведения экспериментов, связанных с физикой частиц, впервые обнаружили геонейтрино, предсказанные еще Гамовым. Удалось зафиксировать всего 25 таких нейтрино, но это было очень важное достижение. Ацуто Судзуки, спикер коллаборации KamLAND, объявил об этом в пресс-релизе, выразившись так: «Теперь у нас есть диагностический инструмент, позволяющий заглянуть в недра Земли. Впервые можно утверждать, что для нейтрино нашлось практическое применение за пределами физической науки».

Прошло еще пять лет, прежде чем эксперимент Борексино, проводимый в Италии, дал независимое подтверждение открытию японских ученых. К 2011 г. команда KamLAND улучшила свою статистику, зафиксировав более 100 геонейтрино – это удалось сделать, усовершенствовав детектор. Очень кстати пришлась и неожиданная остановка расположенных поблизости ядерных реакторов – ведь они порождают очень много нейтрино, чем осложняют наблюдения за геонейтрино.

Исходя из количества геонейтрино, которые удалось обнаружить, ученые заключают, что в результате распада радиоактивных элементов Земля генерирует около 20 ТВт (тераватт) тепловой энергии в секунду (для сравнения: общее количество энергии, потребляемой человечеством, составляет до 15 ТВт). Ученые также могут рассчитать, сколько всего тепла отдает наша планета (для этого измеряется температура на дне буровых скважин). Суммарно наша планета выделяет около 44 ТВт. Таким образом, на радиоактивный распад приходится менее половины этой величины. Оставшаяся энергия генерируется в результате остывания нашей планеты – то есть эта энергия сохранилась со времен формирования Земли. Подобные результаты опровергают геофизические модели, согласно которым наша планета уже потеряла все свое первозданное тепло и в настоящее время подогревается только от радиоактивного распада.

Более точные эксперименты позволят ученым подробнее изучить состав основных земных пород и проверить различные сценарии их формирования. Кроме того, физики надеются узнать, какую роль тепловая энергия радиоактивного распада играет в тектонике плит (и играет ли вообще). Тектоника плит – это медленное движение крупных фрагментов земной коры, в результате которого формируются очертания континентов и образуются горные хребты. Георг Раффельт отмечает: «Благодаря буровым скважинам, землетрясениям и вулканам мы получаем сведения о поверхностных слоях земной коры, но нейтрино позволят нам заглянуть гораздо глубже. Они подскажут, правильно ли мы понимаем структуру Земли».