Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей

Переводчик Олег Сивченко

Научный редактор Дмитрий Горбунов, д. ф.-м. н.

Редактор Антон Никольский

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректоры Е. Аксёнова, М. Миловидова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Дизайн обложки Ю. Буга

Издание подготовлено при поддержке Фонда Дмитрия Зимина «Династия»

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2002 году Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком».

Приоритетные направления деятельности Фонда – поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение.

«Библиотека Фонда «Династия» – проект Фонда по изданию современных научнопопулярных книг, отобранных экспертами-учеными.

Книга, которую вы держите в руках, выпущена под эгидой этого проекта.

Более подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.ru.

NEUTRINO HUNTERS: The Thrilling Chase for a Ghostly Particle to Unlock the Secrets of the Universe by Ray Jayawardhana Copyright © 2013 by Ray Jayawardhana

Published by arrangement with Scientific American, an imprint of Farrar, Straus and Giroux, LLC, New York.

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2015

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

Глава 1 Охота начинается

Норвежский премьер-министр Йенс Столтенберг стоял в красном пуховике под голубым небом на высоте 3000 м над уровнем моря. Вокруг расстилались ослепительно белые снега, столбик термометра опустился до отметки примерно –30 °C. «Мы собрались здесь, чтобы отметить один из величайших подвигов в истории человечества!» – воскликнул Столтенберг, пытаясь перекричать шум флагов, полощущихся на ветру, и скрип снега под зимними сапогами собравшихся, после чего торжественно открыл бюст изо льда на глазах у пары сотен сотрудников, гостей и туристов. Скульптура была установлена на колонне, доходившей человеку примерно до пояса.

«Вот этот герой!»

В ледяном изваянии угадывались черты легендарного соотечественника Столтенберга – Руаля Амундсена. Скромная церемония, состоявшаяся на южной макушке земного шара, ознаменовала столетие со дня открытия Южного полюса. 14 декабря 1911 г. Амундсен и четверо его соратников добрались до Южного полюса, совершив историческую экспедицию во славу молодой норвежской нации. Всего шестью годами ранее Норвегия обрела независимость, выйдя из состава Швеции. Амундсен и его люди, мчавшиеся к цели на собачьих упряжках, намеревались во что бы то ни стало оказаться на полюсе первыми и действительно почти на пять недель опередили трагически погибшую британскую экспедицию, которую вел за собой морской офицер Роберт Фолкон Скотт. Так норвежцы совершили, бесспорно, одно из величайших географических открытий.

Ледяная пустыня, на чьих просторах в начале прошлого века развернулась яростная гонка между Амундсеном и Скоттом, когда ради престижа целых наций герои не щадили своей жизни, сегодня вновь сделалась полем жаркой борьбы для нового поколения исследователей. Правда, на этот раз ученые состязаются в области гораздо более тонких материй. Сегодня Антарктику покоряют отважные естествоиспытатели, жаждущие разгадать тайны жизни, нашей планеты и всей Вселенной. Каждое лето в Антарктиде трудятся более тысячи ученых и специалистов, помогающих проводить исследования. Геологи вырезают ледяные керны и отслеживают движения ледников, стремясь уловить развитие климатических изменений. Метеорологи запускают в небо наполненные гелием аэростаты, измеряя уровень озона в стратосфере и дополняя таким образом данные об озоновом слое, полученные космическими спутниками. Палеонтологи ищут окаменелости древних животных, исчезнувших в результате величайшего вымирания видов, которое произошло на Земле около 250 млн лет назад. Биологи исследуют сухие антарктические долины в поисках микроорганизмов, благоденствующих в экстремальных условиях. В начале 2012 г. после многолетних бурильных работ российские ученые прошли двухкилометровую толщу льда и достигли поверхности древнейшего озера Восток. Этот первозданный резервуар подледной воды был скрыт от солнечного света и наружного воздуха на протяжении 20 млн лет. Ученые надеются найти в озере ранее не известные формы жизни.

Двумя годами ранее мне довелось не понаслышке узнать, каково жить и работать на льду. Я отправился в Антарктиду в составе научной экспедиции, занимавшейся сбором метеоритов. На военно-транспортном самолете мы прибыли из Новой Зеландии на станцию Мак-Мердо, где находится американский научно-исследовательский центр. Станция расположена на берегу Антарктиды, вблизи того места, где в 1902 г. высадился Скотт со своей экспедицией. Целую неделю мы потратили на подготовку, тренировку, укладку снаряжения, а затем направились в сезонный базовый лагерь. Там мы погрузились в самолет Twin Otter на лыжном шасси и завершили последний этап нашего путешествия. Небольшая крылатая машина, которой управляли канадские пилоты «авиации труднодоступной местности», оставила нас на отдаленном ледяном поле всего в пяти градусах от Южного полюса. Нас было восемь человек – две женщины и шестеро мужчин. Мы установили на льду желтые остроконечные «скоттовские» палатки, где провели следующие пять недель на пробирающем до костей холоде. Мы были практически полностью отрезаны от мира, если не считать спутниковой телефонной связи. Время от времени нам сбрасывали с самолета припасы и почту. Стояло антарктическое лето. Солнце не заходило за горизонт, а лишь ежедневно описывало в небе полный круг, двигаясь против часовой стрелки. Вокруг не было ни малейших признаков жизни – ни людей, ни животных, ни растений.

День за днем, если только удавалось выдерживать ледяной ветер, мы выезжали из лагеря на снегоходах либо просто бродили по раскинувшемуся вокруг ледяному полю и по моренам у холмов, пытаясь разыскать камни, прилетевшие из космоса. Мы облачались в толстые красные пуховики, надевали термобелье, меховые унты, шеегрейки, перчатки, снегозащитные очки, балаклавы и шапки. В ходе таких вылазок мы старались беречься от обморожений и не попадать в ледяные трещины. В Антарктиде ничего не стоит соскользнуть в расщелину и расшибиться об лед, твердый, как скала. Однажды я действительно свалился со снегохода и больно ушибся, но, к счастью, толстый пуховик смягчил удар. С другими членами нашей группы также случались подобные мелкие неприятности, но мы пережили холод, рутину и изоляцию без каких-либо серьезных проблем. На самом деле по-своему мы даже наслаждались суровой красотой этого края, самые величественные виды которого открывались с вершин холмов. Мы даже умудрялись как-то развлекаться. За время экспедиции нам удалось собрать около 900 метеоритов, которые сегодня исследуют ученые со всего мира, а мы в награду за эту работу приобрели незабываемые впечатления. А еще мне запомнились изумительные императорские пингвины и пингвины Адели, которых мы незадолго до отъезда встретили недалеко от станции Мак-Мердо. Немного жалею о том, что так и не съездил на Южный полюс, хотя был совсем недалеко от него.

Исследования, которые ведутся в районе Южного полюса, можно смело сравнить с работами на другой планете. Вероятно, те ученые, которые сегодня там трудятся, полностью разделяют мнение Марселя Пруста, говорившего: «Подлинное открытие не в том, чтобы обнаружить новые земли, но в том, чтобы видеть мир новыми глазами». Один из самых интересных исследовательских приборов, установленных поблизости от Южного полюса, – устремленный в небо радиотелескоп диаметром 10 м. Он улавливает слабое остаточное свечение, еще сохраняющееся после Большого взрыва. Кейт Вандерлинде, мой коллега из Торонто, провел почти весь 2008 г. за обслуживанием этого телескопа. Кейт пережил в Антарктиде полярную ночь, которая на этой широте длится полгода, лютые морозы, когда столбик термометра падал до −73 °C, а также невыносимое чувство изоляции, не говоря уже о снежных буранах и смертельной тоске. И все же самые необычные и новаторские научные приборы, установленные рядом с Южным полюсом, находятся глубоко под толщей льда. И направлены они не вверх, как телескопы, а вниз. Возведение – точнее говоря, закапывание – этих конструкций было завершено всего за год до того, как в мире отмечали столетие со дня подвига Амундсена. Прибывавшие высокопоставленные гости видели довольно прозаическую картину: обычный прямоугольный фургон-лабораторию на полозьях, нашпигованный проводами и компьютерами. Было практически невозможно догадаться, что же находится там, глубоко внизу. Однако ученые предусмотрительно установили на ледяном поле череду ярких флажков, которые красноречиво свидетельствовали о циклопических размерах лаборатории.

«Ледяной куб» – совершенно уникальная обсерватория. Глетчерный лед, толщина которого в этом месте более 2 км, на большой глубине становится совершенно прозрачным и не содержит даже пузырьков воздуха – их вытесняет чудовищное давление. Вечный лед выполняет такую же функцию, как и главное зеркало обычного оптического телескопа. Вглубь льда вертикально уходят 86 длинных стальных тросов, на которых через равные промежутки навешено по 60 сфер размером примерно с баскетбольный мяч. В каждом из этих 5160 шаров находятся оптические датчики и электроника. Датчики – фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – отдаленно напоминают обычные лампы накаливания, но действуют прямо противоположным образом: они собирают свет и преобразуют его в электрические сигналы. В лаборатории «Ледяной куб» эти датчики отслеживают в подземном льду слабые синие вспышки, которые иногда мерцают в кромешной тьме. Как только датчик фиксирует вспышку, он посылает сигнал на компьютер, расположенный в наземной лаборатории.

Эти голубые искры возникают, когда через лед проходят элементарные частицы – мюоны. Мюоны подобны электронам, но примерно в 200 раз массивнее их. Физики обрабатывают сигналы, поступающие от различных датчиков, и на основе этой информации могут построить траекторию мюона в трех измерениях. Однако исследователей интересуют не мюоны как таковые. Главная цель – нейтрино, гораздо более неуловимая и, пожалуй, самая парадоксальная из всех известных субатомных частиц. Эти призрачные частицы время от времени сталкиваются с протонами, находящимися в молекулах льда, «высекая» из протонов мюоны. Рождение мюона сопровождается голубой искрой, мюоны подсвечивают лед и выдают присутствие нейтрино. Поскольку новоиспеченный мюон пронизывает лед практически по той же траектории, по которой в эту глыбу попал таинственный нейтрино, ученые могут определить по следу мюона, откуда пришел нейтрино.

Нейтрино – это элементарные частицы. Они подобны электронам, которые роятся вокруг атомного ядра, или кваркам, из которых состоят протоны и нейтроны. Нейтрино – одни из фундаментальных первоэлементов материи, однако они свободно проникают в атомы и покидают их. Кроме того, в отличие от многих других субатомных частиц, нейтрино не имеют электрического заряда, обладают ничтожной массой и практически не взаимодействуют с другими частицами. Если бы можно было создать свинцовый стержень длиной в один световой год[1], то типичный нейтрино мог бы пройти его из конца в конец, не задев ни одного атома. Именно в этом и заключается основная загвоздка, связанная с исследованием нейтрино: эти частицы, если можно так выразиться, патологически застенчивы. Они ни за что не желают взаимодействовать со своими собратьями, поэтому их так сложно отловить. Но время от времени нейтрино все-таки сталкиваются с другими частицами – например, с протоном из молекулы воды. Обычно это происходит случайно. Задача физиков – повысить вероятность такого столкновения и, следовательно, увеличить наши шансы увидеть нейтрино. Поэтому ученые конструируют огромные уловители этих частиц. Один из подобных комплексов – лаборатория «Ледяной куб».

Непосредственно наблюдать нейтрино невозможно, однако можно зафиксировать их присутствие по характерным следам, которые оставляют эти частицы. В тех редких случаях, когда нейтрино все-таки взаимодействуют с материей, они порождают заряженные частицы – например, мюоны. Такие частицы уже можно зарегистрировать при помощи физических приборов. Но отличить нейтринные сигналы от «фонового шума» – задача не из легких. Дело в том, что космические лучи – стремительные частицы, прилетающие из межзвездного пространства, – также порождают мюоны. Поэтому нейтрино просто тонут в потоке космических лучей.

Охотники за нейтрино устанавливают свои приборы глубоко под землей или под толстым слоем льда, чтобы в них не могли попасть мюоны, образовавшиеся под действием космических лучей. Как подметила Джанет Конрад, сотрудница Массачусетского технологического института, «если вы хотите расслышать шепот, то вокруг должна стоять полная тишина».

Схема нейтринной обсерватории «Ледяной куб»

(J. Yang/NSF)

Итак, поймать нейтрино нелегко, их можно назвать одними из самых интересных космических гостей. Нейтрино скрывают в себе тайны природы материи, детали звездных взрывов и даже могут рассказать о структуре самой Вселенной. Более того, физик-теоретик Борис Кайзер считает, что «если бы не было нейтрино – не было бы и нас». Кайзер работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми – Fermilab, расположенной недалеко от Чикаго. В этой лаборатории было поставлено несколько важных экспериментов, связанных с изучением нейтрино. Итак, вот что имеет в виду Кайзер:

«Энергия Солнца, от которой зависит вся жизнь на Земле, возникает в результате ядерных реакций. А реакции эти были бы невозможны без участия нейтрино». Более того, без нейтрино никогда не вспыхнули бы ядерные реакции более древних поколений звезд, а ведь именно они породили все сравнительно тяжелые химические элементы, на основе которых возникла жизнь. «Соответственно, – резюмирует Кайзер, – чтобы познать сущность Вселенной, мы должны как следует изучить нейтрино».

К счастью, при всей своей неуловимости нейтрино весьма многочисленны. Фактически это самая распространенная элементарная частица во Вселенной. По оценке Хитоси Мураяма, сотрудника Токийского университета и Калифорнийского университета города Беркли, на каждый атом во Вселенной приходится миллиард нейтрино. Физик полагает, что «такое изобилие нейтрино свидетельствует о том, что они играют во Вселенной важную роль. Вклад нейтрино в энергетический баланс Вселенной сравним с аналогичным вкладом всех звезд». На самом деле около 100 трлн нейтрино, рожденных в ядерном пламени Солнца, успевают проскочить через человеческое тело всего за одни сутки. Иначе говоря, эти частицы непрерывно простреливают нас днем и ночью. Тем не менее они не только не причиняют нам ни малейшего вреда, но и не оставляют следов. За всю вашу жизнь даже один-единственный нейтрино вряд ли столкнется с атомом вашего тела. Нейтрино пролетают через толщу земных пород абсолютно беспрепятственно, как пули сквозь туман. Кроме того, нейтрино образуются и в недрах Земли в процессе распада радиоактивных элементов, а также возникают в верхних слоях атмосферы в результате взаимодействия заряженных космических частиц с атомами газов. Катастрофическая агония любой массивной звезды сопровождается грандиозными выбросами нейтрино. Нейтрино вырываются невредимыми из этого хаоса, а когда достигают Земли – сообщают нам о величественных небесных драмах, разворачивавшихся на расстоянии миллионов световых лет от нас. Наконец, сама наша планета буквально плывет в море космических нейтрино, сформировавшихся за какие-нибудь пару секунд после рождения Вселенной.

Стоит ли удивляться, что такие причудливые свойства вызвали живейший интерес к нейтрино в массовой культуре. Еще в 1960 г. Джон Апдайк написал восхитительное стихотворение «Космическая наглость» (Cosmic Gall), в котором расточал комплименты неуловимым нейтрино. Это произведение было впервые опубликовано в журнале The New Yorker. Апдайк писал, что нейтрино пролетают через земной шар легче, чем пылинки через продуваемый сквозняками коридор, пронизывая Землю, как солнечный свет – оконное стекло[2]. Канадская группа Klaatu, игравшая в жанре прогрессив-рок (ходили ложные слухи, что на самом деле под псевдонимом Klaatu записывались сами The Beatles), также упомянула неуловимость нейтрино в одной из песен, вошедших в альбом 1976 г. Наконец, эксцентричные персонажи «нейтрино» фигурируют в известном телевизионном мультсериале «Черепашки-ниндзя».

Неудивительно, что нейтрино упоминаются и в популярном сериале-ситкоме «Теория Большого взрыва» (The Big Bang Theory), двое из главных героев которого – физики. Научный консультант сериала – Дэвид Зальцберг из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса – сам является физиком и, в частности, работает с нейтринными телескопами. В сериале есть такая сцена: Шелдон Купер, один из главных героев, у себя в кабинете ломает голову над уравнениями, записанными на доске; тут входят Леонард Хофштадтер – коллега Купера, вместе с которым они живут в одной комнате, а также их общий друг, инженер Говард Воловиц. Шелдон восклицает: «Вот ты где, мой пропавший нейтрино! Скрывался от меня, как несбалансированный заряд, верно? Ах ты, маленький субатомный чертенок!» Пропустив мимо ушей дружеские приветствия, он продолжает: «Смотрите, я нашел мой потерянный нейтрино!» Говард сухо отвечает: «Отлично, теперь мы можем убрать надпись “Разыскивается” с пакетов молока».

Нейтрино фигурируют во многих научно-фантастических произведениях. Как правило, по их вине случаются странные события или возникают катаклизмы. Например, в романе Роберта Сойера «Вспомни, что будет»[3] (Flashforward) рассказывается о выбросе нейтрино умирающей звездой. Все люди, подвергшиеся действию нейтринного вихря, ненадолго теряют сознание и словно во сне переживают события, которые произойдут примерно через 21 год. В романе Грега Бира «Основание и хаос» (Foundation and Chaos) сильнейшая нейтринная буря стирает из памяти роботов те правила, которым они должны следовать (что-то вроде «Законов робототехники» Айзека Азимова). В результате на Земле воцаряется хаос. Не так давно вышел голливудский фильм-катастрофа «2012» режиссера Роланда Эммериха, сюжет которого опять же завязан на необычных свойствах, приписываемых нейтрино: якобы эти частицы перегревают земное ядро, что вызывает катастрофические землетрясения и наводнения.

Несмотря на популярность нейтрино в массовой культуре, реальные научные исследования, связанные с этими частицами, долго не привлекали внимания широкой общественности, обсуждаясь исключительно в кругах профессиональных физиков. Ситуация изменилась совсем недавно – термин «нейтрино» попал в заголовки прессы, поскольку была выдвинута гипотеза, что эти частицы, возможно, движутся со сверхсветовой скоростью. Как известно, Альберт Эйнштейн еще в 1905 г. обосновал, что, согласно законам физики, ничто во Вселенной не может превысить скорость света. Крупная международная коллаборация физиков, называемая OPERA[4], озвучила этот поразительный вывод в исследовательской статье, которая была опубликована в Интернете, а также представлена на пресс-конференции, состоявшейся в конце сентября 2011 г. По данным ученых, частицы преодолели со сверхсветовой скоростью расстояние ме…