Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Мюонные нейтрино , проходящие сквозь инструмент Грейзена или оболочковую конструкцию. Верхнее нейтрино, входящее слева, вступает во взаимодействие внутри детектора, поэтому световой конус от возникающего в результате мюона активизирует детекторы только на выходе. Нижнее нейтрино, входящее справа, вступает во взаимодействие за пределами детектора и создает мюон, который активизирует детекторы при входе и выходе. Таким образом, оболочка из детекторов «вето» помогает исключить из изучения мюоны, рожденные за пределами детектора.

По всей видимости, Рейнес пришел к заключению, что выявление нейтрино по методу Черенкова – дело слишком отдаленного будущего. При этом он прекратил попытки выявления атмосферных (или, по его словам, «создаваемых космическими лучами») нейтрино с помощью какого-то иного метода. Это был большой шаг – первая попытка выявить нейтрино, созданные природой, а не реактором или бомбой.

Атмосферные нейтрино возникают таким же образом, что и атмосферные мюоны, – путем распада вторичных частиц (в том числе мюонов), рожденных при столкновении первичных космических лучей с атмосферой. Ниже мы увидим, что эти нейтрино полезны для некоторых областей физики элементарных частиц, однако никак не связаны с астрономией, поскольку место их рождения находится слишком близко к Земле.

В какой-то момент 1963 года Рейнес узнал об одной докторской диссертации, защита которой прошла в Бомбейском (ныне Мумбайском) университете. В ней выдвигалось предположение о том, что некоторые шахты в индийском золотодобывающем регионе Колар могут быть достаточно глубокими для того, чтобы обеспечить защиту от атмосферных мюонов и возможность выявления атмосферных нейтрино. Рейнес познакомился с индийскими учеными – авторами идеи и даже посетил шахты, о которых шла речь, однако затем все же предпочел самую глубокую шахту в мире – южноафриканскую Ист-Рэнд, расположенную недалеко от Йоханнесбурга. К тому времени он уже покинул Лос-Аламос и возглавил кафедру физики в Технологическом институте Кейс (ныне Университет Кейс-Вестерн-Резерв) в Кливленде, штат Огайо.

В сотрудничестве с группой из Университета Витватерсранда (Йоханнесбург) Рейнес установил крупнейший на то время детектор частиц с 20 тоннами жидкого сцинтиллятора в лаборатории, расположенной в трех километрах под землей. Местные горняки тут же наградили ученых прозвищем goggafangers («ловцы жуков») а самого Рейнеса стали величать makulu bass goggafanger – «большой человек, начальник ловцов»¹⁹⁹.

Идея состояла в том, чтобы выявить мюоны, двигающиеся в горизонтальном направлении через две параллельные стенки сцинтилляторов. Поскольку расстояние между детектором и поверхностью Земли в горизонтальном направлении значительно превышало 3 км, то любой мюон, создаваемый в атмосфере, должен был распасться еще до того, как доберется до детектора. Соответственно, мюоны, которые все же смогут активизировать детекторы, должны были возникнуть из нейтрино в ходе процесса, возникающего где-то в земле между детектором и поверхностью.

К тому времени у Рейнеса появились прямые конкуренты. Группа индийских ученых, которую возглавлял Мамбилликалатил Говинд Кумар Менон и идеи которой Рейнес использовал, установила свой собственный детектор в одной из золотых шахт Колара. Группа Рейнеса обнаружила первый нейтрино естественного происхождения 23 февраля 1965 года (эта дата встречается во многих источниках на тему нейтринной астрономии), а индийцы – примерно через месяц. Однако формальные лавры первооткрывателя получила именно группа Менона, поскольку ей удалось опубликовать свои результаты примерно за две недели до того, как это сделал Рейнес²⁰⁰ (в данном случае факт публикации очень важен, поскольку предполагает, что ученые проделали тщательный анализ результатов и смогли справиться со всеми неопределенностями и потенциальными ошибками интерпретации). Разумеется, не обошлось без споров (порой кажется, что Рейнес просто притягивает к себе скандалы), однако все участники вынесли из случившегося свои уроки²⁰¹.

И если оставить в стороне разные мелкие вопросы, нейтрино вновь продемонстрировало свою застенчивость: группа из университета Кейс зарегистрировала за шесть лет наблюдений всего 167 атмосферных нейтрино²⁰².

* * *

Тем временем семена, посаженные Марковым и Грейзеном, попали в плодородную почву. По всему миру, особенно в США и СССР, ученые-одиночки принялись ездить на далекие озера, погружать в воду короткие нити оптических детекторов и охотиться на мюоны. Одним из таких ученых был молодой Джон Лёрнд, аспирант из Вашингтонского университета.