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

Согласно тем данным, которые были получены до землетрясения и анонсированы в июне 2011 г., некоторые мюонные нейтрино действительно превращаются в электронные. Более ранние исследования, проводившиеся в SNO и Super-K, позволили зарегистрировать два других вида осцилляций нейтрино, однако непосредственно наблюдать превращение третьего типа удалось только в T2K. Из множества мюонных нейтрино, полученных в Токае, 88 попали и в детектор Камиока, расположенный примерно в 290 км к западу. Причем шесть из этих 88 оказались в Камиока, уже будучи электронными нейтрино, хотя исходный луч состоял лишь из мюонных нейтрино. Очевидно, эти шесть частиц изменили аромат по пути. Эд Кёрнс признавался: «Хотя мы и изучаем осцилляции нейтрино уже долгие годы, эти шесть превращений воспринимались с глубоким трепетом». Линдли Уинслоу из Массачусетского технологического института также считает, что обнаружение этих шести частиц является важной вехой в физике нейтрино; по ее словам, это «шесть самых популярных событий, связанных с нейтрино». Эти первые результаты T2K оказались явно недостаточными, чтобы точно измерить значение третьего угла смешивания; все-таки шесть актов осцилляции – это очень мало. Однако данные результаты позволили убедиться, что величина Ө13 действительно не равна нулю. В свою очередь, это позволяет предположить, что нейтрино и антинейтрино отличаются по свойствам, в частности по-разному взаимодействуют с материей.

Три других эксперимента, связанные с уточнением Ө13, велись по горячим следам опытов с T2K. Один из них проводится в деревушке Шо на северо-востоке Франции; физики измеряют свойства нейтрино, образующихся в промышленном ядерном реакторе в ходе его эксплуатации. Ученые установили один детектор в непосредственной близости от реактора, а второй – на расстоянии 1 км от первого, чтобы можно было измерить темпы исчезновения электронных нейтрино. Осенью 2011 г. физики сообщили о результатах первых 100 дней эксперимента Double Chooz – он получил такое название, поскольку в Шо установлено два детектора. Измерения, выполненные французской группой, дали независимое подтверждение тому, что значение Ө13 действительно ненулевое, но не позволили с достаточной точностью определить это значение. Другой эксперимент, поставленный в бухте Дайя-Бэй в Китае, более чувствителен к таким изменениям. Дело в том, что в Дайя-Бэй установлен один из самых мощных промышленных ядерных реакторов в мире; не менее удобно, что огромные детекторы установлены глубоко под землей, благодаря чему удается по максимуму исключить помехи, связанные с космическими лучами. Проанализировав данные, полученные в Дайя-Бэй всего за два месяца, коллаборация Дайя-Бэй уже в марте 2012 г. объявила, что их эксперимент впервые позволил вполне точно измерить значение Ө13. Ученые выяснили, что около 6 % электронных нейтрино успевают исчезнуть на пути между реакторами и детекторами, протяженность которого составляет примерно 2 км. Примерно через месяц третий эксперимент под названием RENO[29], поставленный в Южной Корее, подтвердил результаты, полученные в Дайя-Бэй, хотя и с меньшей точностью. Кам-Бю Люк, спикер коллаборации Дайя-Бэй, работающий в США, сообщает: «Оказывается, что значение Ө13 довольно внушительное. Это сюрприз, причем приятный». Он считает, что «это открытие позволяет ученым совершенно по-новому взглянуть на многие вещи. Так, физики-теоретики наконец смогут выйти за рамки Стандартной модели».

Джанет Конрад из Массачусетского технологического института, работающая на эксперименте Double Chooz, также с воодушевлением воспринимает зарождающуюся «точную физику нейтрино». Конрад, выросшая на севере штата Огайо, в детстве увлекалась фантастическим сериалом «Звездный путь», любила смотреть на звезды в телескоп, который был у ее друга. Она мечтала стать астрономом или офицером по науке на звездолете. Правда, когда Джанет познакомилась с книгами о Нэнси Дрю[30] и Шерлоке Холмсе, ее предпочтения изменились: теперь она подумывала о карьере сыщика. Однако впоследствии мечты о небе вновь привели Джанет к науке. Будучи подростком, Конрад просыпалась в предрассветный час, чтобы опрыскать теплой водой сортовые георгины, которые выращивала в саду вместе с отцом (ученым-агрономом) для выставок. Однажды утром, когда в лицо уже веял прохладный осенний ветер, ей довелось увидеть северное сияние. Девушка была просто зачарована ярким зрелищем, которое возникает из-за того, что прилетающие с Солнца заряженные частицы бомбардируют земную атмосферу. Она вспоминает, что эти зори были «такими невероятно прекрасными, такими захватывающими».

Позже, будучи студенткой колледжа Свартмор, Конрад посещала курс квантовой механики и очень интересовалась новейшими исследованиями, связанными с субатомным миром. Она смогла попасть на летнюю практику в Гарвард, где стала работать в лаборатории; там она участвовала в изучении свойств пучков частиц, генерируемых на циклотроне, в частности, их применения для лечения рака глаз. Но лишь на третьем курсе, после визита в лабораторию Fermilab, Конрад окончательно определилась со сферой своих научных интересов. В настоящее время Конрад занимает пост профессора в Массачусетском технологическом институте, где занимается проблемами нейтрино. Конрад удается сочетать любовь к науке и страсть к разгадыванию тайн. Однажды она образно отметила: «Детектив может и не быть ученым, но ученый – обязательно детектив». Она считает, что нейтрино могут дать ключ к решению величайших космологических загадок, и оптимистически смотрит в будущее – по мнению Конрад, в ближайшие 10 лет нас ожидают фундаментальные открытия в этой области. «Мы подходим к самому интересному. Потребовалось немало времени, чтобы достичь этого этапа, но сегодня мы можем находить ответы на важнейшие вопросы, подкрепляя их точными измерениями», – считает она.

Действительно, физики проделали долгий путь с тех пор, как Бруно Понтекорво впервые предположил, что нейтрино могут страдать от своеобразного «раздвоения личности». Благодаря открытиям, совершенным в Kamiokande и SNO, эти неутомимые исследователи смогли решить нелегкую проблему дефицита солнечных нейтрино, с которой не один десяток лет тягались Рэй Дэвис и Джон Бакал, рискуя собственной репутацией. Кроме того, охотники за нейтрино установили, что у этих частиц действительно есть масса – чем впервые доказали, что физика не ограничивается Стандартной моделью. Также удалось открыть, что нейтрино трех сортов могут превращаться друг в друга, меняя аромат. При помощи разнообразных высокоточных экспериментов ученые все точнее разбираются в деталях причудливых свойств этих частиц-хамелеонов. При этом они не только раздвигают границы фундаментальной физики, но и разрабатывают ценный инструментарий для космологии и астрофизики. В следующей главе мы поговорим о том, как астрономы при помощи нейтрино анализируют колоссальные взрывы, происходящие во Вселенной.

Глава 6

Взрывающиеся звезды

Ла-Серена – тихий приморский городок, расположенный примерно в 500 км от чилийской столицы Сантьяго. Лишь на пару месяцев в году, во время курортного сезона, Ла-Серена оживает, принимая множество отпускников. Большинство гостей приезжают сюда позагорать на золотых пляжах, некоторых привлекает неоколониальная архитектура города, а также его окрестности; этот район славится своими винодельнями, где варят писко – крепкий алкогольный виноградный напиток. До сих пор между чилийцами и перуанцами не утихают споры о том, в какой из двух стран был впервые приготовлен этот напиток. Севернее Ла-Серены пролегает легендарная трасса – Панамериканское шоссе. Именно здесь дорога постепенно идет вверх, извиваясь вдоль склонов Андского хребта, пересекая сухие речные долины, усыпанные валунами. Кроме колючего кустарника и кактусов здесь почти нет зелени. Между камней у дороги иногда проскочит вискача – грызун, похожий на кролика, над головой время от времени можно заметить парящего ястреба. Примерно через 130 км после выезда из города дорога сворачивает вправо к горам. Уже с развилки можно заметить группу белых куполов, как будто из сказки, – они вырисовываются на фоне неба и видны издалека. Последний рывок на вершину Лас-Кампанас пролегает по крутой узкой дороге, высеченной в горном склоне, – и вот астрономы наконец оказываются на горном пике высотой 2282 м. Днем с вершины открывается живописный вид, но он не выдерживает никакого сравнения с завораживающим ночным зрелищем, когда через все небо перекидывается искрящаяся звездами дуга Млечного Пути, а сбоку от него просматриваются два размытых ярких пятна – Магеллановы облака, Малое и Большое.