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

Наступает новая удивительная эпоха охоты на нейтрино. Ученые горячо обсуждают создание новых исследовательских инструментов, интерес к которым за последние 15 лет значительно вырос. «Лаборатории с новыми возможностями почти всегда приводят нас к неожиданным открытиям», – считает Кайзер. В качестве подтверждения этому он напоминает, что детектор Kamiokande изначально строился для проверки гипотезы о том, имеют ли протоны период полураспада, который должен значительно превышать возраст Вселенной. Никаких доказательств распада протонов пока не обнаружено, однако эксперимент позволил выявить дефицит солнечных нейтрино и впервые уловить нейтрино, прилетевшие на Землю из-за пределов Солнечной системы, а именно – от сверхновой 1987А. Кроме того, детектор Kamiokande сыграл важную роль в открытии осцилляций нейтрино. «Физика нейтрино гораздо богаче, чем мы могли предполагать», – заявляет Георг Раффельт.

Нейтрино, донельзя застенчивые частицы, впервые описанные восемьдесят с лишним лет назад Вольфгангом Паули, стремившимся преодолеть кризис в квантовой теории, могут дать начало восхитительной новой главе в истории современной физики, не говоря уже о зарождающихся возможностях практического применения этих частиц в геологии и ядерном мониторинге. Открытия современных охотников за нейтрино вполне могут основательно изменить многие наши представления о Вселенной, о микромире и мегамире, а возможно – положить конец нашим теориям, касающимся космологии и физики частиц. Действительно, стоит присмотреться к нейтрино, так как они могут указать нам путь в будущее. Лучше всего эту идею выразила Линдли Уинслоу из Массачусетского технологического института: «Если во Вселенной происходит что-нибудь по-настоящему интересное, то в этом обычно замешаны нейтрино».

На самом деле нейтрино не раз обескураживали и удивляли теоретиков, озадачивали маститых экспериментаторов, а также неизменно увлекали любых ученых своей странной и неуловимой природой. Прошло уже немало времени с тех пор, как Паули скрепя сердце решился на «отчаянную попытку», а Энрико Ферми дал нейтрино такое ласковое название. Поначалу изучение нейтрино шло очень медленно. После гипотезы Паули минуло почти четверть века, прежде чем Фред Рейнес и Клайд Коуэн впервые смогли поймать эту призрачную частицу. Рэй Дэвис и Джон Бакал корпели над тайной дефицита солнечных нейтрино в течение тридцати лет. Несмотря на блестящие озарения Бруно Понтекорво, высказанные им уже очень давно, физики не могли экспериментально подтвердить изменчивость нейтрино вплоть до конца XX в. Но в последние годы темп исследований, связанных с нейтрино, сильно ускорился. Изучая осцилляции, при которых эти частицы меняют аромат, исследователи впервые убедились, что физика не ограничивается Стандартной моделью. При помощи сложнейших компьютерных моделей физики-теоретики постепенно приходят к пониманию важнейшей роли, которую нейтрино играют при гибели массивных звезд. Физики-экспериментаторы вооружились высокочувствительными детекторами и ждут ближайшего взрыва сверхновой в нашей Галактике – желательно, не слишком далеко от Земли. Другие исследователи применяют нейтрино для зондирования земных недр и разрабатывают на основе нейтрино новые методы ядерного мониторинга. Наконец мы вот-вот сможем проверить гипотезу Этторе Майораны о том, что нейтрино могут не отличаться по свойствам от антинейтрино. Если это действительно так, то мы разгадаем великую тайну о тотальном преобладании вещества над антивеществом в нашей Вселенной. Охотники за нейтрино приближаются к следующему грандиозному рубежу в своей эпической одиссее.

Благодарности

Многие полагают, что писательский труд – это работа в одиночестве. Глубокой ночью автор сидит за ноутбуком и что-то печатает, пока полмира спит. Но эта книга не увидела бы свет без совместных усилий множества людей. Покойный отец с малых лет привил мне любовь к литературному творчеству, а за последующие годы мне довелось общаться со многими великолепными редакторами, оттачивавшими мой стиль. Практикующему ученому порой бывает непросто найти время, чтобы написать научно-популярную книгу для широкого круга читателей, но этот труд щедро вознаграждается и просто интересен. Работа над книгой «Охотники за нейтрино» позволила мне окунуться в яркий и захватывающий научный мир, который во многом не похож на мою основную сферу научных интересов, по достоинству оценить его многообразные связи не только с фундаментальной физикой, космологией и астрофизикой, но и с геологией, и с ядерной энергетикой.

Я хотел бы поблагодарить множество ученых, у которых брал интервью, которые проясняли некоторые вопросы, помогали разобраться в том или ином контексте и/или вычитывали части книги. Среди них – Джон Биком, Сампа Бхадра, Джанет Конрад, Андре де Говея, Алекс Фридленд, Джорджо Гратта, Френсис Хальцен, Карстен Хеегер, Кристофер Джонс, Борис Кайзер, Эд Кёрнс, Брайан Кирби, Спенсер Клейн, Джон Лирнид, Кам Бю-Люк, Арт Макдональд, Хитоси Мураяма, Скотт Озер, Георг Раффельт, Кейт Скулберг, Лисья Верде, Стивен Вайнберг и Линдли Уинслоу. Некоторые из них не только терпеливо отвечали на мои многочисленные вопросы, но и оперативно делились всеми идеями, возникавшими у них. Отдельную благодарность выражаю Ральфу Харви за экспедицию ANSMET, Найджелу Смиту за экскурсию по SNOLAB, Деборе Харрис за то, что показала мне лабораторию Fermilab, Фреду Раабу, показавшему мне комплекс LIGO в Хэнфорде. Другие помогали мне подыскивать иллюстрации и получать права на их использование: Лили Бэй из Института исследования космических лучей (Япония), Эразмо Реками из Государственного университета Бергамо (Италия), Джейн Коропсак из Брукхейвенской национальной лаборатории, Саманта Куула из SNOLAB, Лорел Норрис из «Ледяного куба», а также Уильям Тричук из коллаборации ATLAS.

C особым удовольствием упомяну замечательный коллектив и вдохновляющую атмосферу Рэдклиффского института перспективных исследований в Гарварде, где воплотилась идея написания этой книги (не говоря уже о том, какая изумительная там кофемашина)! Натания Волански помогала мне с подготовительными исследованиями на раннем этапе работы с книгой, отдельное спасибо ей за то, что подсказала примеры упоминания нейтрино в популярной культуре и помогла собрать информацию о многочисленных нейтринных экспериментах, проводящихся по всему миру.

Я благодарен Аманде Мун из Scientific American/Farrar, Strauss and Giroux за то, что она так добросовестно, вежливо и терпеливо вела подготовку рукописи. Члены редакторской группы, в частности Дэниэл Герстле и Кристофер Ричардс, а также литературный редактор Крис Петерсон поработали на славу. Не меньшей благодарности заслуживает выпускающий редактор Энни Готлиб, которая не только внимательно и тщательно работала, но и была очень мила в общении. Лора Стефенсон отлично поработала, подготовив две иллюстрации. Джим Джиффорд из HarperCollins (Канада) и Робин Деннис из Oneworld (Великобритания) поддерживали меня с искренним энтузиазмом. Мой агент Джон Пирс из Westwood Creative Artists постоянно подбадривал меня, при необходимости сглаживая острые углы и приободряя меня в трудную минуту. Наконец, благодарю всю мою семью и друзей, особенно мою изумительную жену Кэтрин, за то, что все они в меня верили.

Глоссарий

CERN – сокращенное название Европейской организации ядерных исследований, от французского «Conseil Europeén pour la Recherche Nucléaire».

Kamiokande – сложносокращенное название, означающее «Эксперимент по изучению ядерного распада в Камиока». Изначально эксперимент готовился для наблюдения за потенциально возможным распадом протонов, период полураспада которых должен быть гораздо больше нынешнего возраста Вселенной. Однако Kamiokande, а также Super-Kamiokande – усовершенствованная версия этого эксперимента – позволили значительно продвинуться в изучении нейтрино. Эксперимент особенно известен тем, что в ходе него были зафиксированы нейтрино, прилетевшие на Землю после взрыва сверхновой 1987А, а также тем, что в ходе этого эксперимента были измерены осцилляции нейтрино.

Sanduleak –69° 202 – номенклатурное название голубого сверхгиганта, который превратился в сверхновую 1987А.

Super-Kamiokande (Super-K) – см. Kamiokande.

Альфа-излучение (альфа-частица) – совокупность двух протонов и двух нейтронов, фактически – ядро гелия. Когда радиоактивное ядро испускает альфа-частицу, оно превращается в ядро другого элемента, стоящего на две клетки ближе к началу периодической системы Менделеева.

Аннигиляция – процесс, происходящий при контакте частицы с античастицей. Например, когда аннигилируют позитрон и электрон, выделяются гамма-лучи.