Охотники за нейтрино

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».