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

Тем не менее группа физиков уже провела первые опыты по налаживанию нейтринной коммуникации. Физики сгенерировали в лаборатории Fermilab нейтринный луч и стали бомбардировать пучками частиц гигантский подземный детектор, расположенный примерно в километре от лаборатории. Команда записала слово «neutrino» в стандартном двоичном коде, который преобразует символы в последовательности нулей и единиц. Детектор-приемник успешно зарегистрировал это простое сообщение, хотя оно и прошло через километр сплошного камня. Частота сообщения составляла жалкие 0,1 бит в секунду, и на передачу восьми символов ушло более двух часов. Как написали исследователи, «полученный результат доказывает осуществимость такой передачи данных, но в то же время свидетельствует о необходимости значительной доработки нейтринных пучков и детекторов, чтобы их можно было использовать на практике». Иными словами, не стоит в ближайшем будущем ожидать появления нейтринных телефонов – тем более нейтринных мобильников.

Суровая реальность не смущает других ученых, продолжающих создавать еще более экзотические проекты. Один исследователь предложил связать финансовые центры в разных частях света, занятые высокочастотным трейдингом, при помощи закодированных нейтринных лучей, пронизывающих Землю насквозь, по кратчайшему пути. Такой способ связи позволит трейдерам выигрывать до нескольких десятков миллисекунд на каждой сделке. Джон Лирнид, а также его коллеги Сандип Пакваса из Гавайского университета и Энтони Зи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре предлагают посылать нейтринные сигналы в космос для поиска внеземной жизни. Поскольку нейтрино летят через пространство, практически не встречая сопротивления, сторонники такого проекта считают, что эти частицы могли бы стать отличным средством связи между разумными цивилизациями.

Как ни увлекательны на первый взгляд некоторые из описанных технологий, охотников за нейтрино более всего интересуют чисто физические аспекты изучения нейтрино. Поскольку нейтрино определенно обладают ненулевой массой (что противоречит Стандартной модели), на горизонте нас ждет что-то новое. Как отмечает физик Борис Кайзер, сотрудник Fermilab, «физика ошибочна везде, где ее нельзя признать безошибочной». Он имеет в виду, что любая физическая теория применима только в той области, для которой эта теория формулировалась. «Стандартная модель отлично работает в сфере энергий, для которых она разрабатывалась, но может не соблюдаться при значительно более высоких энергиях», – поясняет он. Ситуация напоминает взаимосвязь между ньютоновской и эйнштейновской теорией тяготения. Кайзер отмечает: «Законы Ньютона отлично работают, если речь идет об отправке космического корабля на Луну. Но если вы хотите отправить зонд на другой конец Галактики, разогнав этот аппарат до 90 % скорости света, то вам придется опираться на теорию Эйнштейна». Аналогично у нас возникнет потребность заменить Стандартную модель более масштабной теорией, чтобы понять, какие процессы происходят при экстремальных условиях, подобных тем, что сложились сразу же после Большого взрыва.

Нейтрино не только обладают массой, но и проявляют еще ряд странных свойств. Данные, полученные в ходе эксперимента LSND (Жидкий сцинтилляторный детектор нейтрино), проводившегося в 1990-е гг. в Лос-Аламосе для изучения изменчивой природы нейтрино, свидетельствуют, что у нейтрино не три аромата, как считалось ранее, а четыре. Проект MiniBooNe («Малый усилительный эксперимент с нейтрино») также продемонстрировал признаки существования четвертого типа[44]. Если такие нейтрино действительно есть в природе, то они должны быть еще более неуловимы, чем нейтрино первых трех ароматов. Вероятно, эти частицы тяжелее, чем нейтрино трех других ароматов, и не поддаются слабому ядерному взаимодействию, поэтому мы не сможем наблюдать их напрямую. Такие «стерильные» нейтрино тем не менее будут оказывать на окружающую материю гравитационное воздействие.

В NASA проводился проект WMAP (Зонд микроволновой анизотропии им. Уилкинсона). Это космическая обсерватория, регистрирующая едва заметную рябь пространства, являющуюся дальним отголоском Большого взрыва. Результаты работы обсерватории WMAP позволяют усомниться в существовании нейтрино четвертого типа. Структура флуктуаций космического фонового микроволнового реликтового излучения содержит следы целого паноптикума элементарных частиц, существовавших в молодой Вселенной. Проанализировав массив данных, зарегистрированных обсерваторией WMAP за целых девять лет, специалисты пришли к выводу, что в настоящее время, вероятно, существует всего три сорта нейтрино. В марте 2013 г. ученые опубликовали еще более точные карты космического реликтового излучения, составленные при помощи орбитального аппарата Planck Европейского космического агентства. Им также не удалось найти доказательств существования стерильных нейтрино, что разочаровало некоторых исследователей, рассчитывавших на более впечатляющие результаты.

Однако Джанет Конрад из Массачусетского технологического института, которая участвовала в эксперименте MiniBooNE, пока не готова окончательно согласиться с отсутствием четвертого типа нейтрино. Она полагает, что «Вселенная сложна, и стерильные нейтрино могли ускользнуть от Planck». Конрад указывает, что другие эффекты, в частности, асимметрия между нейтрино и антинейтрино в молодой Вселенной, могут «замаскировать» существование стерильных нейтрино. Кроме того, космологи не в состоянии напрямую измерить количество типов нейтрино, а логически выводят это значение на основании модели со множеством параметров. Если откорректировать хотя бы один из этих параметров – например, присвоить наблюдаемой скорости расширения Вселенной немного большую величину, – то существование четырех типов нейтрино окажется вполне допустимым. Конрад объясняет, что «именно поэтому физики и предпочитают наблюдать частицы непосредственно», а не полагаться на ограниченные данные космологии. «Могу утверждать только одно, – продолжает Конрад, – если прямой поиск стерильных нейтрино увенчается успехом, то космологические модели придется пересмотреть».

Действительно, охота на нейтрино может дать нам удивительные новые открытия о Вселенной, в которой мы живем, причем стоимость таких исследований будет на порядки ниже, чем цена конструирования мощных ускорителей частиц. Борис Кайзер из лаборатории Fermilab отмечает: «Физика нейтрино не такая уж и затратная. Она гораздо дешевле, чем Большой адронный коллайдер». На протяжении ближайшего десятилетия американские физики планируют сосредоточить исследовательскую работу на экспериментах с мощными пучками частиц и высокочувствительными детекторами, не требующих конструирования все более и более мощных ускорителей для достижения все более высоких энергий. Физика нейтрино сейчас находится в центре внимания американских ученых. Стивен Вайнберг полагает, что такая смена приоритетов действительно целесообразна. «Нейтрино позволяют нам исследовать очень интересный фронтир, причем за довольно небольшие деньги», – поясняет он. Хитоси Мураяма придерживается аналогичного мнения: «Эксперименты на высокоэнергетических ускорителях в США приходят в упадок. Сейчас ведущую роль в этой области исследований играет БАК. Поэтому Fermilab связывает большие надежды с нейтринными экспериментами, во многом потому, что они дешевле ускорителей нового поколения».

К огорчению американских охотников за нейтрино, запуск следующей большой исследовательской программы, «Нейтринного эксперимента с длинной базой» (LBNE), пока откладывается. Физики рассчитывали, что Национальный научный фонд и Министерство энергетики совместно профинансируют этот эксперимент почти на $2 млрд. Но обе организации отказались придерживаться первоначального плана, поскольку в непростые финансовые времена стоимость проекта была сочтена слишком высокой. «Это досадно, но не смертельно, – признается Кайзер, – когда Национальный научный фонд отказался от участия, конечно же, Министерство энергетики не могло потянуть в одиночку этот проект, руководители которого тем не менее готовы работать в этом направлении». Действительно, в декабре 2012 г. Министерство энергетики предварительно одобрило реализацию упрощенной версии этого эксперимента стоимостью вдвое меньше, чем предполагал исходный план. Задумано построить небольшой детектор и установить его на поверхности земли, а не под землей.

Тем временем исследователи из других стран также не сидят сложа руки. Нейтринная лаборатория Садбери в Канаде была коренным образом переоборудована, сейчас в ней готовится несколько новых экспериментов. Эта подземная лаборатория, которая теперь называется SNOLAB, увеличилась в четыре раза. В Японии планируется построить Hyper-Kamiokande, нейтринный детектор в десять раз крупнее Super-Kamiokande. Европейцы готовят новые эксперименты в лаборатории Гран-Сассо в Италии, а также проектируют гигантский подземный детектор LAGUNA[45].