Невообразимое количество невидимых частиц постоянно пронизывает Землю и наши тела и уходит дальше в космос, будто почти ничто не стоит у них на пути. Эти загадочные частицы называют нейтрино, и они относятся к числу самых трудноуловимых объектов во Вселенной. Тем не менее учёные находят способы фиксировать следы их прохождения, и это открывает новые возможности для изучения космоса и его самых экстремальных областей.
Исследования нейтрино сыграли выдающуюся роль в современной физике. Открытия, связанные с этими частицами, легли в основу пяти Нобелевских премий по физике. В этом году престижную награду получил физик Фрэнсис Хальцен — «за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие нейтрино высоких энергий астрофизического происхождения».
Джордж Фуллер, заслуженный профессор физики Калифорнийского университета в Сан-Диего, десятилетиями изучает ядерную физику, астрофизику частиц и космологию. Вместе с Хальценом он написал одну из первых научных работ об IceCube. Его знания помогают понять, чем так необычны нейтрино и почему для их изучения учёные построили гигантскую обсерваторию в толще антарктического льда.
Что делает нейтрино такими загадочными?
Нейтрино относятся к элементарным частицам, у которых, по мнению учёных, нет более мелких составляющих. Они бывают трёх видов: электронные, мюонные и тау-нейтрино. В отличие от заряженных частиц, нейтрино не имеют электрического заряда. Масса у них есть, но она чрезвычайно мала — возможно, примерно в 10 миллионов раз меньше массы электрона. Точные значения масс пока неизвестны, как неизвестен и механизм, который их порождает.
Ещё одна удивительная особенность нейтрино — способность проходить сквозь вещество почти без сопротивления. Поскольку они очень редко взаимодействуют с другими частицами, они могут преодолевать огромные расстояния со скоростью, близкой к скорости света.
Нейтрино рождаются во многих местах: в Солнце, в далёких областях космоса и в источниках, которые учёным ещё предстоит выявить. Кроме того, их поразительно много. По оценкам, во Вселенной содержится примерно 10⁸⁹ нейтрино — это около миллиарда на каждый существующий атом.
«Нейтрино — по-настоящему призрачные частицы, — сказал Фуллер. — Их трудно остановить. Их трудно поймать. Как вообще узнать, что они существуют и где находятся?»
Частицы-призраки, которые проходят почти сквозь всё
Несмотря на неуловимость, нейтрино время от времени взаимодействуют с веществом посредством фундаментального взаимодействия, которое называется слабым. Эта сила примерно на 20 порядков слабее электромагнитной. Из-за таких взаимодействий нейтрино могут рассеиваться или поглощаться, и именно это позволяет учёным их обнаруживать. Однако подобные события происходят настолько редко, что для их наблюдения нужно исключительно чувствительное оборудование.
Способность проходить сквозь плотное вещество делает нейтрино ценными вестниками из областей Вселенной, до которых иначе не добраться. Они могут вырываться из окрестностей коллапсирующих звёзд и чёрных дыр, неся информацию, которую другие виды излучения раскрыть не могут.
Масштаб этой невидимой активности поражает. Через каждый квадратный сантиметр вашего тела каждую секунду проходит примерно 100 миллиардов нейтрино, и мы почти не замечаем этого.
«Из-за слабости взаимодействия нейтрино могут пройти практически сквозь что угодно, — сказал Фуллер. — Световые годы свинца — в зависимости от энергии они пролетели бы его насквозь».
Как учёные научились обнаруживать нейтрино
Поиски нейтрино начались задолго до того, как появились технологии для их наблюдения. В 1930-е годы физик Вольфганг Паули предположил, что неизвестная частица может объяснить, почему при некоторых видах радиоактивного распада, по-видимому, пропадает часть энергии. Сначала он назвал эту гипотетическую частицу иначе — тогда он называл их «нейтронами».
Паули понимал, как трудно будет проверить его идею. Он признал эту проблему в знаменитой фразе: «Я совершил ужасную вещь: я постулировал частицу, которую невозможно обнаружить».
Десятилетиями нейтрино оставались недоступными для экспериментов. Всё изменилось в 1956 году, когда физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнес успешно зарегистрировали их в эксперименте, известном как «Проект „Полтергейст“».
Это достижение доказало, что нейтрино действительно существуют, но их обнаружение по-прежнему оставалось огромной задачей. Для изучения самых редких и самых энергичных нейтрино, прилетающих из космоса, учёным требовались всё более совершенные приборы.
Почему Антарктида идеально подходит для охоты за космическими нейтрино
В 1990-е годы Хальцен понял, что Южный полюс предлагает для нейтринных исследований исключительно подходящую природную среду. Глубоко под поверхностью Антарктиды лежат огромные массы льда, который необычайно прозрачен: в нём относительно мало пузырьков и примесей, мешающих регистрации слабых вспышек света.
Его замысел в конечном итоге привёл к созданию нейтринной обсерватории IceCube — гигантского научного прибора, встроенного примерно в один кубический километр антарктического льда. Чтобы построить её, исследователи пробурили глубокие скважины и опустили в них длинные гирлянды чувствительных детекторов света — фотоэлектронных умножителей.
Эти приборы ищут короткие вспышки голубого света, возникающие благодаря явлению, которое называется излучением Черенкова. Свет появляется, когда нейтрино взаимодействует с веществом во льду и рождает заряженную частицу, которая движется быстрее, чем свет может распространяться в этой среде.
Регистрируя такие вспышки, исследователи могут обнаружить признаки нейтрино, которые иначе прошли бы сквозь Землю, не оставив заметного следа.
Необыкновенные частицы из глубин космоса
IceCube особенно важен для изучения нейтрино, которые прилетают из далёких космических источников с чрезвычайно высокой энергией. В отличие от огромного количества относительно низкоэнергичных нейтрино, рождаемых Солнцем, эти мощные космические гости встречаются крайне редко. Обсерватория регистрирует всего несколько десятков самых энергичных из них за год.
Когда одно из таких нейтрино взаимодействует со льдом, оно может породить быстро движущийся электрон или мюон. Например, мюон, перемещаясь во льду, создаёт конус черенковского света. Учёные анализируют получившуюся картину свечения, чтобы оценить энергию нейтрино и восстановить направление, откуда оно пришло.
По мнению Фуллера, эти исключительно энергичные нейтрино — одно из самых захватывающих открытий IceCube, поскольку об их происхождении и физических процессах, которые их ускоряют, известно ещё очень мало.
«У некоторых нейтрино сверхвысоких энергий, зарегистрированных в IceCube, энергия примерно в 10 миллиардов раз больше, чем у обычного нейтрино от Солнца. А у одного нейтрино, обнаруженного в похожем эксперименте, энергия ещё в 200 раз выше. Мы, по сути, не знаем, откуда оно прилетело, — сказал он. — Сам факт, что оно добралось до нас, может говорить что-то очень глубокое о Вселенной. В этом смысле Хальцен действительно работает на переднем крае экспериментальной физики фундаментальных частиц».
Нейтрино могут раскрыть тайны Большого взрыва
Научные усилия по изучению нейтрино не ограничиваются Антарктидой. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего участвуют и в другой крупной обсерватории, которая может дать новые сведения об этих неуловимых частицах и о ранней истории Вселенной.
Обсерватория Саймонса, расположенная высоко в пустыне Атакама в Чили, собирает данные о реликтовом микроволновом излучении — древнем излучении, оставшемся от ранней Вселенной. Это излучение часто называют самым старым светом в космосе, и оно служит ценной записью условий, существовавших вскоре после Большого взрыва.
Калифорнийский университет в Сан-Диего участвовал в создании обсерватории, а Брайан Китинг, заслуженный профессор физики этого университета, является её главным исследователем.
Хотя обсерватория в первую очередь изучает древний свет, её измерения могут дать и информацию о нейтрино с самых ранних этапов истории космоса. Проект может предоставить огромный объём новых данных об этих древних частицах и, возможно, позволит получить сведения, недоступные другим экспериментам.
Фуллер полагает, что ожидаемые наблюдения помогут учёным лучше понять Большой взрыв, раннюю эволюцию Вселенной и другие фундаментальные вопросы о том, как развивался космос.
«Работа Хальцена и тех, кого вдохновило его видение, стала основополагающей: она дала человечеству новое окно во Вселенную и в мир загадочного и печально известного своей неуловимостью нейтрино», — сказал он.