Знание-сила, 2001 №04

Порой теоретики и экспериментаторы спорят, кто главнее и кто кого ведет по тернистому пути познания. В космологии сегодня такого конфликта нет, работа идет кооперативная. Экспериментаторы проверяют теоретические идеи, и теория получает возможность двигаться дальше.

Количество же экспериментальных данных все нарастает. Самый большой десятиметровый телескоп на [авайях измерял содержание дейтерия в далеких облаках водорода. Дэвид Титлер из Сан-Диего по этим измерениям уточнил плотность обычного вещества во Вселенной, теперь она известна с точностью до десяти процентов. Кроме того, наличие дейтерия в самых удаленных межгалактических облаках подтверждает, что был Большой Взрыв – только в нем мог этот дейтерий образоваться.

Все активнее экспериментаторы ищут и само темное вещество. Возможно, скрытая масса (иное название темного вещества) содержится в неизвестных пока частицах. Наиболее яркие кандидаты на эту роль – нейтрино с массой около тридцати электронвольт, совсем легонький аксион с массой в десятитысячную долю электронвольта и экзотическое нейтралино с массой между десятью и пятью сотнями протонных масс.

Легонький аксион может превратиться в фотон с малой энергией. Такие фотоны ищут в Ливерморской национальной лаборатории, в большой микроволновой полости. Там должны возбудиться крошечные колебания, которые надеются увидеть экспериментаторы.

Нейтралино ищет группа Бернарда Садуля в Калифорнии. Залетев в очень холодный кристалл кремния или германия, эта частица может чуток подогреть его, а экспериментаторам остается лишь заметить этот «чуток». Сюзанна Купер из Оксфорда наблюдает за куском сапфира, а Петер Смит – за кристаллами йодистого натрия. Все эксперименты проводятся глубоко под землей, чтобы заслониться от потоков космических лучей, в ливнях которых просто не разглядишь редких и долгожданных гостей.

Ищут нейтралино и на больших подземных нейтринных детекторах – Суперкамиоканде в Японии, в тоннеле 1ран Сассо в Италии, ищут их и на ускорителях. Планируют запустить измеритель космической анизотропии в 2001 году (проект НАСА) и европейский проект в 2004 году. Они определят анизотропию реликтового фона с точностью в тридцать раз лучше СОВЕ. Тогда можно будет гораздо точнее ограничить параметры моделей. В ближайшие пять – десять лет многое должно проясниться.

Здесь в самый раз перейти к нейтринной астрономии. Уже в ее названии кроется тесное родство астрофизики и физики микромира, где нейтрино – самый таинственный обитатель.

Астрономы всю жизнь строили телескопы где-нибудь на вершинах гор, чтобы воздух был почище, а городские фонари не мешали свету звезд. Нейтринные астрономы поступают иначе: они забираются как можно глубже – под землю, под воду, а то и под лед на Южном полюсе. И несмотря на совершенно астрономические трудности, эта область уже сформировалась как самостоятельная экспериментальная дисциплина. Ей принадлежат интереснейшие физические результаты последних полутора десятилетий: убедительное доказательство массы нейтрино и наблюдение нейтрино от сверхновой звезды 1987 года.

Новое поколение детекторов для солнечных нейтрино было настроено искать нарушение Стандартной модели или же экзотического поведения Солнца – третьего не дано. А первое поколение больших нейтринных телескопов планирует заглянуть далекодалеко в космос…

В двадцатые – тридцатые годы физики и астрономы предложили модель термоядерных реакций внутри Солнца, из которых наше светило черпает свою энергию. Расчеты шестидесятых годов показали, что около двух процентов энергии уносит нейтрино. Так вот, до Земли долетало меньше половины того, что предсказывали расчеты.

В Стандартной модели есть три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тау-лептонное. У них нет заряда, массы, и все они очень слабо взаимодействуют с веществом. По этой причине их сложно зарегистрировать. Мало того, если вы работаете на поверхности Земли, редкие сигналы от нейтрино потонут в потоке событий от космических лучей, поэтому приходится забираться под землю. А из-за слабости взаимодействия объем установки должен быть очень большим. Теория предсказывает, что более шестидесяти миллиардов нейтрино пронизывают каждый квадратный сантиметр поверхности Земли за секунду, но первым детекторам удавалось поймать лишь по несколько штук за неделю.

Титанические усилия ловцов нейтрино были вознаграждены в 1987 году, когда именно они поймали 19 штук нейтрино от сверхновой за несколько часов до прихода света от этого события. Дело в том, что нейтрино начинают прорываться из центра сверхновой, пока оболочка еше не прозрачна для света. После этого события во всем мире резко возрос интерес к поискам космических источников нейтрино. Огромное преимушество этого вида частиц перед другими излучениями в том, что оно беспрепятственно проходит толщи вещества и может донести до нас совершенно уникальную информацию.

На этом участке неба, сфотографированном космическим телескопом имени Хаббла, удалось разглядеть шесть галактик, по свету от которых мы можем изучить процессы во Вселенной, не достигшей и миллиарда лет.

Три из четырех нейтринных экспериментов использовали технику радиохимического анализа. Долетевшее до Земли нейтрино взаимодействует с ядром хлора в шести сотнях тонн перхлорэтилена в американской установке «Homestake». В результате получаются атомы радиоактивного аргона, которые пересчитывают. Установка расположена в золотой шахте на глубине полутора километров. В двух других экспериментах пересчитывают атомы радиоактивного германия, рождающегося во взаимодействии с галлием. Установка GALLEX в подземной лаборатории «Гран Сассо» содержит тридцать тонн галлия. В советско-американском эксперименте SAGE в Баксанской лаборатории под горой Андырчи на Кавказе используется 60 тонн металлического галлия.

Четвертая установка – Камиоканде – расположена в цинковой шахте Камиока на глубине в километр в Японских Альпах. В ней используется семьсот тонн сверхчистой воды и регистрируются лишь нейтрино высокой энергии – более семи миллионов электронвольт – по черенковскому свету от мюонов или электронов, выбитых из ядер (хлорный метод чувствителен к нейтрино энергичнее восьмисот килоэлектронвольт, а галлиевый позволяет достичь двухсот килоэлектронвольт). Черенковское излучение возникает при движении частицы со скоростью больше скорости света в среде. Аналогичные ударные волны расходятся от самолета, летящего быстрее звука. В отличие от радиохимических экспериментов, Камиоканде измеряет направление пришедшей частицы и ее энергию.