Планетарий: Поймать невидимку

К числу наиболее ярких и вместе с тем трудных страниц в истории развития физики в XX веке принадлежит открытие нейтрино. Необычным путем вошла в науку эта новая частица, удивительными оказались ее свойства, и не исключено, что именно с ней связаны самые глубокие тайны природы.

Открытие нейтрино было связано с уверенностью исследователей в справедливости фундаментальных законов физики – законов сохранения. В самом начале ХХ века при изучении бета-распада радиоактивных ядер физики, как скрупулезные бухгалтеры, старались свести баланс энергии. Но он никак не сходился: часть энергии исчезала неведомо куда. Таким образом, под угрозой оказался один из фундаментальных законов физики – закон сохранения энергии.

Спас положение швейцарский физик Вольфганг Паули, в 1930 году высказавший предположение, что при бета-распаде вместе с электроном рождается какая-то частица – невидимка, которая и уносит недостающую часть энергии. Незамеченной эта частица остается потому, что не имеет массы покоя и электрического заряда и не способна отрывать электроны от атома или расщеплять ядра, иными словами, не может производить те эффекты, по которым обычно судят о появлении частицы. К тому же она очень слабо взаимодействует с веществом, а потому может пройти через большую толщу вещества, не обнаруживая себя.

В те годы, когда ученым были известны только электрон, протон и фотон, для подобного предположения была нужна большая научная смелость. После открытия в 1932-м тяжелой нейтральной частицы – нейтрона – итальянский физик Энрико Ферми предложил называть частицу, охарактеризованную Паули, «нейтрино», что буквально означает «нейтрончик». Как выяснилось позднее, гипотеза о существовании нейтрино «спасла» не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике. А сама гипотеза Паули естественным образом вошла в теорию бета-распада, созданную Ферми в 1934 году. Прежде чем стать равноправным членом семьи элементарных частиц, нейтрино еще долгое время оставались чисто гипотетическими частицами. Совершенно необходимые для объяснения многих легко наблюдаемых превращений сами они на протяжении более чем 20 лет оставались неуловимыми.

Наблюдение реакций, связанных с нейтрино, стало возможным только после создания ядерных реакторов. Физики-ядерщики многих стран пытались экспериментально подтвердить существование теоретически «вычисленной» частицы. Ведь для окончательного доказательства существования нейтрино нужно было увидеть его непосредственное воздействие на вещество. Но получилось так, что первыми удалось обнаружить не нейтрино, а его античастицы – антинейтрино, которые в результате бета-распада осколков деления урана при работе атомного реактора испускаются в громадном количестве. Такой опыт был осуществлен в 1953 году американскими учеными Фредериком Рейнесом и Клайдом Коуэном на реакторе в Хэнфорде. Им удалось обнаружить характерную цепочку событий, вызванных антинейтрино. Этот эксперимент, с учетом «призрачности» свойств частиц, получил название проект «Полтергейст». За участие в этих исследованиях и за последующие эксперименты ученый-физик Фредерик Рейнес был в 1995 году удостоен Нобелевской премии.

К 2000-му году было теоретически обосновано и экспериментально подтверждено существование трех типов нейтрино: электронного, мюонного и тау-нейтрино.

Однако это отнюдь не означает завершения исследований в области изучения физики этих частиц. Ученым не терпится узнать, обладает ли нейтрино массой, поскольку результат этих исследований может серьезно поколебать стройную структуру Стандартной модели материи. Подобные эксперименты уже идут в Японии, готовятся в Лаборатории Ферми и планируются в ЦЕРНе. Обнаружение массы нейтрино крайне важно и для астрофизики – это помогло бы разрешить парадокс «скрытой массы» и прояснить проблемы, касающиеся судьбы Вселенной, а также многие другие вопросы космологии.

Нейтрино естественного происхождения имеют три принципиально разных источника. Первый из них – это реликтовые нейтрино, оставшиеся от Большого Взрыва. Согласно модели горячей Вселенной в настоящее время их температура близка к абсолютному нулю (около 2К). Хотя в среднем в 1 см3 пространства содержится от 300 до 400 реликтовых нейтрино всех трех типов. Однако практического метода для регистрации этих реликтовых нейтрино пока нет. Вторым источником нейтрино служат ядерные реакции, идущие в ядрах звезд. Солнце производит порядка 2•1038 нейтрино каждую секунду, а сверхновые звезды могут испустить в тысячу раз больше нейтрино, чем наше Солнце произведет за 10 миллиардов лет его жизни. Третьим «поставщиком» высокоэнергетичных нейтрино являются космические лучи, пронизывающие Землю со всех сторон.

На сегодняшний момент большинство наших знаний о Вселенной получено из наблюдений фотонов. Фотоны обильно вырабатываются, стабильны и электрически нейтральны, их просто обнаружить в широкой области энергий, а их спектры несут детальную информацию о химических и физических свойствах источников. Но горячие плотные области в ядрах звезд, ядра активных галактик и других энергетичных астрофизических источников для фотонов непрозрачны.

Обнаружение космических источников нейтрино может пролить свет на физику экзотических астрономических объектов, таких как экстремально мощные активные ядра галактик или таинственные гамма-вспышки, и помочь сделать шаг вперед в понимании загадки темной материи. Одна из интереснейших и труднейших задач для физиков и астрономов – «поймать» нейтрино внеземного происхождения, и прежде всего измерить поток нейтрино от Солнца, что позволит подтвердить теоретические гипотезы о механизмах реакций, обеспечивающих его светимость. Солнце производит только электронные нейтрино, но они значительно различаются по своим энергиям. Согласно Стандартной Солнечной Модели солнечная светимость поддерживается главным образом за счет энергии, которая освобождается в результате цепочки реакций, приводящей к образованию гелия из четырех протонов (водородный цикл). Но иногда происходит побочная реакция превращения бериллия в бор, и в этом случае образуются нейтрино с более высокой энергией.

Антинейтрино, как и нейтрино, возникло чисто теоретически, но после эксперимента в рамках проекта «Полтергейст» получило полное право на существование. Нейтрино рождается во всех процессах, где рождается позитрон или поглощается электрон, а антинейтрино рождается при испускании электрона или поглощении позитрона.

Очень скоро выяснилось, что нейтрино появляется не только при бета-распаде.

В 1936 году в космических лучах были обнаружены частицы – мюоны, абсолютные двойники электрона во всем, кроме массы. Масса мюона в 206,8 раза больше массы электрона, и из-за этого он нестабилен и быстро распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Таким образом, оказалось, что нейтрино появляется в компании с электроном или с мюоном. В первом случае говорят об электронном нейтрино, а во втором – о мюонном нейтрино.

Тождественны ли эти нейтрино, или все же это два типа частиц, можно было решить только экспериментально. Смысл эксперимента, идея которого принадлежала Бруно Понтекорво, состоял в следующем. Если оба нейтрино тождественны, то мюонные нейтрино и антинейтрино будут порождать как мюоны, так и электроны или позитроны, если же они различны, то следует ожидать появления только мюонов. В 1962 году в США на одном из ускорителей был проведен эксперимент, подтвердивший существование двух типов нейтрино и антинейтрино – электронных и мюонных.

В 1975 году группой во главе с Мартином Перлом в Стэнфорде (Stanford Linear Accelerator Center) была открыта тау-частица. Она имеет массу, в 3 500 раз большую, чем электрон, и ее распад показывал то же самое несоответствие энергии, которое привело Паули к предсказанию нейтрино. Это дало серьезные основания предполагать существование третьего сорта нейтрино, связанного с тау-частицей.

И наконец, в июле 2000 года участниками эксперимента по непосредственному наблюдению тау-нейтрино было объявлено о получении результатов, подтверждающих существование элементарной частицы, названной тау-нейтрино. Таким образом, исследования показали, что возможно существование трех видов нейтрино, представляющих собой полный набор частиц этого класса: электронный нейтрино, мюонный нейтрино и тау-нейтрино, причем каждый со своим антинейтрино. В ядерной физике эти три разновидности нейтрино называются ароматами.

Для нейтрино солнечного вещества как будто и не существует: они улетают с места возникновения по прямолинейной траектории, нигде и ничем не отклоняясь, многие из них достигают поверхности Земли. Не имеет значения, день стоит или ночь: днем нейтрино прилетают сверху, а ночью – снизу, свободно пронзая земной шар. К счастью, существуют изотопы, с помощью которых можно устроить для нейтрино хоть и небольшое, но заметное препятствие. Наиболее известным из них является хлор-37. В тех редких случаях, когда нейтрино сталкивается с ядром атома хлора, это ядро испускает электрон и возникает атомное ядро радиоактивного аргона, которое распадается через 35 дней. Используя эту реакцию, можно построить детектор для солнечных нейтрино, который, чтобы компенсировать редкость таких столкновений, должен иметь большие размеры и для защиты от фонового излучения находиться глубоко под землей.

Первый эксперимент по обнаружению солнечных нейтрино с использованием этого метода был начат Раймондом Дэвисом в 1967 году в золотой шахте в Homеstake (Южная Дакота, США). Большое количество контрольных экспериментов показало, что эффективность извлечения аргона из бака – около 100%. Если количество нейтрино правильно оценивается астрофизической моделью Солнца, то в контейнере каждый день в среднем один атом хлора должен превращаться в атом аргона под действием нейтрино. Если бы этот детектор обнаружил количество нейтрино, близкое к предсказанному теорией, то это стало бы подтверждением того факта, что Солнце нагревается за счет ядерных реакций превращения водорода в гелий.

К сожалению, эксперименты, проводившиеся в течение нескольких лет, показали, что одна такая реакция происходит в среднем раз в три дня. Из этого следовал вывод, что Солнце производит только треть ожидаемых нейтрино с высокими энергиями. Астрофизики проверяли модели, а Дэвис искал ошибки в эксперименте. Но несоответствие моделей и эксперимента не исчезло и в 1988 году за дело взялись японские ученые на своем подземном детекторе Kamiokande-II, который расположен на глубине 1 000 м в шахте Камиока в префектуре Gifu. Их эксперимент принципиально отличался от эксперимента Дэвиса. Японцы использовали рассеяние солнечных нейтрино на электронах обычной воды. В результате столкновения нейтрино с каким-либо атомом, входящим в состав воды, ядро атома отскакивало, а электрон из атомной оболочки вылетал с огромной скоростью, создавая в воде свечение темно-голубого цвета, называемое Черенковским излучением.

Такая методика позволяет регистрировать все типы нейтрино, но максимально она чувствительна к электронным нейтрино. Ее достоинство заключается в том, что можно определить достаточно точно, откуда прибыло нейтрино, так как вылетевший электрон сохраняет направление движения нейтрино. Для того чтобы поймать нейтрино, использовались 3 000 тонн чистейшей воды, помещенной в стальной цилиндрический резервуар. 1 000 фотоумножителей, размещенных на внутренней поверхности резервуара, фиксировали Черенковское излучение, свидетельствующее о появлении нейтрино. Но подобно экспериментам Homеstake, Kamiokande-II обнаруживал только очень редкие высокоэнергетичные нейтрино. За тысячу дней наблюдений японские ученые обнаружили только половину от ожидаемого потока таких нейтрино.

Необходимо же было еще обнаружить и низкоэнергетичные нейтрино, возникающие в результате чрезвычайно важных для Солнца реакций водородного цикла. Для этого можно было воспользоваться тем, что при воздействии низкоэнергетичных нейтрино на атом галлия образуется атом германия с периодом распада 11 дней. Однако галлий – редкий и очень дорогой металл, его мировая добыча невелика, а для получения надежных результатов детектор должен был бы содержать примерно 40 тонн этого элемента. Поэтому галлиевые детекторы появились значительно позднее.

Российско-Американский галлиевый эксперимент, получивший название SAGE, был проведен на Боксанской нейтринной обсерватории, расположенной на большой глубине в горах Кавказа в России. Почти 100 измерений потока солнечных нейтрино, проведенных в течение 1990—2000 годов, зафиксировали только половину потока нейтрино, который прогнозируется Стандартной Солнечной Моделью. Огромное число различных тестов, проведенных для проверки надежности эксперимента, указали на то, что расхождение между прогнозами солнечной модели и измерениями потока в SAGE не может быть результатом ошибок эксперимента.

Таким образом, все четыре солнечных нейтринных эксперимента (Homestake, Kamiokande, SAGE и GALLEX) показывают, что измеренный поток солнечных нейтрино на орбите Земли значительно меньше, чем предсказано Стандартной Солнечной Моделью. Это расхождение получило название «Проблемы солнечного нейтрино». В то время когда шли эксперименты, физики-теоретики и астрофизики пытались выяснить причину этих расхождений. Существуют два возможных объяснения: либо ученые не знают в действительности, как звезды (и, в частности, Солнце) обеспечивают свою светимость, либо не понимают природы нейтрино. Тщательные вычисления, проведенные астрономами, показали, что дефицит солнечных нейтрино различных энергий не может урегулироваться никакими приемлемыми моделями.

Непростая репутация нейтрино навела некоторых ученых на мысль, что возможны взаимные превращения нейтрино (так называемые осцилляции) за время их путешествия от центра Солнца к Земле. Еще в 1957 году физик Бруно Понтекорво сформулировал теорию нейтринных преобразований, согласно которой при существовании различных видов нейтрино они могут трансформироваться из одного вида в другой и обратно. Но для такого превращения необходимо, чтобы нейтрино имело хотя бы крошечную массу. Безмассовые частицы не способны на такие превращения. Следовательно, обнаружение осцилляций нейтрино будет свидетельством наличия у них массы покоя. А потому последующие нейтринные эксперименты ставили своей основной целью поиск осцилляций нейтрино.

В 1998 году участники эксперимента «Суперкамиоканде» заявили о регистрации явлений, похожих на нейтринные осцилляции. В ходе эксперимента исследовалось число мюонных нейтрино, рожденных в верхних слоях земной атмосферы, при столкновении протонов космических лучей с ядрами атомов воздуха, приходящих в детектор с разных расстояний. Оказалось, что меньшее число мюонных нейтрино приходило с тех направлений, где нейтрино преодолевали большее расстояние. Эти результаты дали основания полагать, что количество нейтрино данного класса зависит от пройденного ими пути, что может быть следствием трансформации нейтрино из одного вида в другой.

Решение проблемы дефицита солнечных нейтрино, и в частности исследование нейтринных осцилляций, также требует независимых измерений потока электронных нейтрино и мюонных и тау-нейтрино. Такие исследования были выполнены Садбурской нейтринной обсерваторией (SNO). Благодаря использованию тяжелой воды были измерены поток и энергия электронных нейтрино и поток всех нейтрино с использованием двух типов взаимодействий нейтрино с дейтерием. Потоки нейтрино, измеренные двумя способами, различались на треть, и причину этого расхождения ученые видят в том, что электронные нейтрино, возникающие в центре Солнца по пути к Земле, преобразовались частично в мюонные, а частично в тау-нейтрино. Такие преобразования свидетельствуют о наличии у нейтрино массы покоя. Оказалось, что все нейтрино Вселенной весят примерно столько же, сколько все видимые звезды.

В отличие от Солнца вспышки сверхновых звезд создают потоки не только нейтрино (причем с энергиями, гораздо большими, чем солнечные), но и антинейтрино. Одно из таких событий произошло 23 февраля 1987 года, когда с помощью проектов Кamiokande-II и IMB (США) была зафиксирована нейтринная вспышка, вызванная взрывом сверхновой звезды в Большом Магеллановом Облаке. Это были первые обнаруженные нейтрино от известного источника в другой галактике. За 13 секунд Кamiokande-II было зарегистрировано 11 нейтринных и антинейтринных событий, хотя обычно в день регистрируется только несколько частиц. Несмотря на то что число обнаруженных нейтрино было мало, тот интервал времени, за который они наблюдались, хорошо согласовывался с предсказаниями стандартной теории.

При взрыве сверхновой большая часть энергии уносится в виде нейтрино, остаток в основном уходит на расширение оболочки, и только крошечная доля высвободившейся гравитационной энергии покидает место катастрофы в виде оптической вспышки. То есть световой выход вспышки сверхновой является буквально поверхностным явлением.

Задачи нейтринной астрономии высоких энергий сводятся в основном к поиску точечных источников излучения. Они не наблюдаются непосредственно, но их существование вытекает из свойств космических лучей, состоящих главным образом из протонов. Имея электрический заряд, протоны отклоняются магнитными полями и потому не могут нести информацию о направлении источника. Однако любой источник, ускоряющий фотоны до высоких энергий, создает большой поток пи-мезонов, которые, распадаясь, испускают гамма-лучи и нейтрино. Последние сохраняют направление на источник, и, таким образом, существование основного потока высокоэнергетичных протонов подразумевает существование потоков высокоэнергичных нейтрино. Источниками нейтрино высоких энергий могут быть двойные системы, содержащие нейтронную звезду или черную дыру, сверхновые звезды и их молодые остатки, активные ядра галактик и гамма-барстеры.

Достигая Земли, мюонные нейтрино и антинейтрино в воде на большой глубине создают поток мюонов, которые при больших энергиях сохраняют направление генерирующих их нейтрино. Траектория мюонов высокой энергии выглядит в воде как светящийся жгут. Происходит это потому, что мюон на своем пути порождает ядерно-электромагнитные ливни, которые испускают в воде Черенковское излучение. Поэтому глубоководный нейтринный телескоп представляет собой просто пространственную решетку из фотоумножителей, регистрирующих свет от траектории мюонов. Длина пробегов мюонов высоких энергий в воде очень велика, что позволяет довольно точно определить направление на источник. Поэтому для создания огромных мюонных детекторов, которые могли бы зафиксировать высокоэнергетичные нейтрино, используют воды Мирового океана и глубоководные озера.

Результаты многолетних исследований показали, что Байкал – одно из наиболее подходящих мест на Земле для размещения глубоководных детекторов Черенковского излучения, и сейчас на Байкальской нейтринной станции уже несколько лет работает нейтринный телескоп NT-200. Установке его модулей предшествовала длительная работа по изучению свойств озера и созданию глубоководной аппаратуры. Зимой 1992 года на глубине 1 370 метров, на расстоянии около 4 км от берега был установлен несущий каркас телескопа, а в 1998 году Байкальский нейтринный телескоп стал одной из крупнейших в мире установок для исследования нейтрино высоких энергий.

Другим уникальным нейтринным телескопом является Антарктическая Мюонная и Нейтринная Детекторная сетка (AMANDA) – совместный проект США, Швеции, Германии. Еще один нейтринный телескоп – ANTARES – устанавливается в 40 км на юго-восток от Марселя в Средиземном море на глубине 2,4 км. Он будет обнаруживать следы нейтрино, которые приходят из наиболее бурных мест во Вселенной.

AMANDA и ANTARES помогут расшифровать тайны гамма-всплесков, которые идентифицируются как возможные источники самых высокоэнергетических космических лучей и займут важное место в многосторонней атаке на природу частиц темной материи, а также откроют возможность для изучения нейтринных осцилляций. Они помогут узнать, существуют ли во Вселенной скрытые ускорители, из которых вылетают только нейтрино.

Детектор Homestake представляет собой большой контейнер объемом 380 000 л, заполненный 610 т жидкого перхлорэтилена. Этот контейнер помещен на глубину 1 480 м и дополнительно защищен толстым слоем воды. Такая защита позволяет исключить нежелательные побочные ядерные реакции. К сожалению, такой детектор не мог обнаруживать низкоэнергетичные нейтрино, так как они не способны превратить изотоп хлора в аргон и, следовательно, они не будут зарегистрированы данным телескопом. Под действием нейтрино с энергиями, большими, чем 0,86 МэВ, ядро хлора превращается в ядро радиоактивного аргона, возникавший аргон извлекался с помощью продувания через бак с 20 000 л газообразного гелия. Затем аргон вымораживался охлаждением до температуры 77 К и адсорбировался активированным углем. После этого атомы аргона регистрировались по их радиоактивному распаду с помощью пропорциональных счетчиков.

SuperKamiokande, являющийся модернизацией Kamiokande-II, размещен в горах Японии на глубине 1 км под землей.

Его детектор – огромный резервуар (40х40 м) из нержавеющей стали, заполненный 50 000 т необычайно чистой воды, которая служит мишенью для нейтрино. На поверхности резервуара размещены 11 146 фотоумножителей (ФЭУ), регистрирующие появляющиеся импульсы голубого цвета, известные как Черенковское излучение, которые сообщают о столкновении нейтрино с молекулой воды (использует ту же методику обнаружения нейтрино, что и Kamiokande-II).

Внутренний детектор, используемый для физических исследований, окружен слоем обычной воды, который называется внешним детектором и также контролируется фотоумножителями, чтобы не допустить в основной детектор каких-либо нейтрино, произведенных в окружающей детектор породе.

В дополнение к световым коллекторам и воде огромное количество электроники, компьютеров, калибровочных устройств и оборудования для очистки воды установлено в детекторе или вблизи него.

Садбурская нейтринная обсерватория – это совместный эксперимент группы ученых из Канады, США и Англии. Вся лаборатория и детектор расположены под землей на глубине 2 км в шахте около Садбури, Канада.

Строительство лаборатории начали в 1990 году и завершили в 1998-м.

В мае 1999-го была выполнена калибровка оборудования SNO, которая помогла оценить оптические параметры, пространственную, угловую и энергетическую чувствительность детектора, чувствительность к сигналам от нейтрино и процессам, которые производят фон и систематические эффекты, способные повлиять на интерпретацию результатов, и только после этого начались наблюдения.

SNO-детектор представляет собой гигантский резервуар диаметром 22 и высотой 34 метра, с очень чистой обычной водой, в которую помещен бак из акрилового пластика, имеющий диаметр 12 метров, с 1000 тонн тяжелой воды, служащей мишенью для нейтрино.

Акриловый резервуар окружает геодезическая сфера 17-метрового диаметра, содержащая 9 456 фотоумножителей для обнаружения небольших вспышек света, излучаемых в момент попадания нейтрино на мишень.

Лаборатория включает электронику и компьютерные ресурсы, систему управления и системы очистки как для тяжелой, так и обычной воды.

Работа над проектом была начата в 1991 году с изучения оптических свойств льда на глубинах от 800 до 1000 м (AMANDA A). Но на этих глубинах из-за рассеяния света пузырьками воздуха, заключенными во льду, наблюдения оказались практически невозможны. С начала 1996 года, после пересмотра проекта, модули стали размещать на глубинах от 1 500 до 2 000 м (AMANDA B), где оптические свойства льда оказались очень высокими.

Для создания детекторной матрицы из фотоумножителей во льду были просверлены отверстия диаметром 50 см, причем использовавшиеся сверла с горячей водой создали отверстия глубиной 2 км, не замерзавшие в течение двух дней. Этого времени хватило, чтобы погрузить в них струны с прикрепленными оптическими модулями.

Каждый модуль работает независимо и содержит 30-сантиметровый фотоумножитель, который помещен внутрь прозрачной стеклянной сферы для защиты от высокого давления на большой глубине, и электрический кабель, выходящий на поверхность. Вся управляющая и регистрирующая аппаратура устанавливается на поверхности. Такая система обеспечивает высокую надежность и делает возможной постепенную модернизацию детектора.

Иногда, пронизывая Землю, высокоэнергетичные нейтрино сталкиваются частицами, находящимися или под шапкой льда, или во льду. Появляющийся в результате этого мюон порождает ядерно-электромагнитные ливни, испускающие Черенковское излучение, которое может быть обнаружено фотоумножителями. Учитывая разницу во времени и энергии на разных фотоумножителях, можно определить направление мюонов и их энергию.

Совместный проект исследователей из университетов Бирмингема, Оксфорда и Шелфилда, а также ученых и инженеров из Франции, Нидерландов, России, Испании и Великобритании должен превратить кубический километр Средиземного моря в нейтринный телескоп. Пронизывая Землю, нейтрино иногда случайно будут взаимодействовать с частицами суши прямо под детектором или же с частицами морской воды, окружающей его.

Взаимодействие будет порождать высокоэнергетичный мюон, который будет испускать Черенковское излучение. Струны детекторной матрицы устанавливаются с корабля – тяжелый якорь опустит один конец струны на морское дно, а буй на другом конце сохранит ее вертикальное положение. Сигналы от детекторов будут передаваться на берег через подводный кабель. Для соединения струн с кабелем используется «Nautile» – глубоководная субмарина с мини-ЭВМ, которая применялась для изучения повреждений знаменитого «Титаника». Установка основной части матрицы закончится в 2002 году.

Людмила Князева