Рэй Джаявардхана - Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей

Кроме того сверхновая должна пролить свет на природу самих нейтрино и подсказать ответы на некоторые нерешенные вопросы, которые мы обсуждали в последней главе. Например, физикам никак не удается определить так называемую «иерархию масс» нейтрино. Фактически известно, что должно существовать два тяжелых сорта нейтрино плюс один легкий либо два легких плюс один тяжелый. Возможно, ответ на этот вопрос будет получен только после изучения нейтрино от взрыва сверхновой в Галактике. Более того, в ядре сверхновой концентрация нейтрино так велика, что нейтрино могут взаимодействовать друг с другом, тогда как в иных условиях просто «не замечают» существования других нейтрино. В ходе таких взаимодействий свойства нейтрино могут изменяться. «Мы можем уловить аномалии в их свойствах, что поможет нам увидеть новую физику, не ограниченную Стандартной моделью». Джон Биком соглашается со Скулберг: «Мы можем узнать о нейтрино такую информацию, которую невозможно выяснить в лаборатории».

К счастью, некоторые из существующих детекторов нейтрино – в том числе Super-K, Борексино и «Ледяной куб» – могут зарегистрировать нейтрино от взрыва сверхновой, в какой бы части Млечного Пути он ни произошел. Например, Super-K поймает несколько тысяч таких нейтрино, если взрыв произойдет около центра Галактики, то есть на расстоянии порядка 25 000 световых лет от нас. Он даже позволяет определить, откуда пришли нейтрино (с точностью до нескольких градусов), что соответствует области неба, в несколько раз шире диска полной Луны. Обсерватория «Ледяной куб» в подобном случае зарегистрирует около миллиона нейтринных событий, и именно она лучше всего позволила бы отслеживать изменения потока нейтрино с течением времени. Дело в том, что «Ледяной куб» может разбивать такой поток событий на кратчайшие временные интервалы, каждый из которых не превышает нескольких тысячных долей секунды. «Мы сможем наблюдать всю десятисекундную историю взрыва сверхновой, разделенную на эпизоды длительностью по несколько миллисекунд, – говорит ведущий исследователь лаборатории «Ледяной куб» Френсис Хальцен из Висконсинского университета в Мэдисоне, – и уловить тот самый момент, в который образуется нейтронная звезда».

При взрыве сверхновой образуются нейтрино всех трех ароматов – электронные, мюонные и тау-нейтрино, а также соответствующие им античастицы, но наши детекторы пока не могут зарегистрировать все разнообразие частиц. Разумеется, ученые хотели бы исследовать все три аромата, а также соответствующие сорта античастиц. «Изучать всего один аромат нейтрино – все равно что фотографировать через монохромный светофильтр», – говорит Скулберг. Она же хотела бы увидеть «всю гамму». Чтобы получить такую «цветную картинку», Скулберг вместе с канадскими коллегами первым делом собирается сконструировать специальный аппарат, который будет называться «Гелиево-свинцовая обсерватория» (HALO). Аппарат HALO будет располагаться в лаборатории SNOLAB на севере канадской провинции Онтарио. В качестве детекторного материала в HALO будут применяться 80 т свинца. В таком случае HALO будет обладать уникальной чувствительностью к электронным нейтрино, поэтому дополнит работу иных имеющихся детекторов, которые регистрируют соответствующие античастицы. По сравнению с остальными детекторами нейтрино аппарат HALO совсем маленький, поэтому он сможет обнаружить лишь такую сверхновую, которая взорвется не слишком далеко от нас в пределах Млечного Пути. Поскольку мы практически не представляем, в какой точке Галактики может произойти следующий взрыв сверхновой, сложно обосновать необходимость постройки крупной нейтринной обсерватории именно для таких исследований. «Пока ваш детектор дожидается взрыва сверхновой, он должен выполнять и какую-либо повседневную работу», – объясняет Скулберг.

Именно с таким расчетом разрабатывается новый проект, называемый LBNE (Нейтринный эксперимент с длинной базой) [33] Сейчас этот проект называется DUNE (Глубокий подземный нейтринный эксперимент). – Прим. ред. . Предполагается, что этот аппарат будет построен в уже упоминавшемся золотом руднике Хоумстейк на территории штата Южная Дакота. В LBNE будет использоваться гигантский резервуар, заполненный 30 000 т охлажденного жидкого аргона. Он будет принимать поток нейтрино или антинейтрино, идущий сквозь толщу пород из лаборатории Фермилаб, расположенной в 1300 км от Южной Дакоты, и фиксировать, как эти частицы меняют аромат. Но при этом LBNE также сможет улавливать различные типы нейтрино, которые могут прилететь к Земле при взрыве сверхновой в нашей Галактике. «Измеряя ароматы нейтрино и их изменение с течением времени, мы получим массу информации о самых разнообразных феноменах, – считает Скулберг, – мы узнаем не только о том, каковы условия в ядре сверхновой, но и подробнее исследуем природу осцилляций нейтрино».

Например, когда в ядре сверхновой протоны сливаются с электронами и образуют нейтроны, возникает выброс частиц, практически на 100 % состоящий из электронных нейтрино. Но на пути из ядра эти нейтрино могут осциллировать (менять аромат), превращаясь в нейтрино других сортов. «Поэтому если выяснится, что этот первичный всплеск состоит из нейтрино разных сортов, а не только электронных нейтрино, то узнаем об осцилляциях много нового», – полагает Скулберг. К сожалению (об этом пойдет речь в главе 8), Министерство энергетики США одобрило постройку лишь базовой модели LBNE, возможности которой будут серьезно ограничены. Тем временем европейские и японские физики предлагают собственные проекты нейтринных обсерваторий, которые будут улавливать нейтрино всех трех ароматов и будут весьма кстати, если где-то в нашей Галактике произойдет взрыв сверхновой.

Физики-теоретики, в свою очередь, при помощи компьютерных симуляций уточняют все более тонкие детали моделей сверхновых. «Возможно, описание процессов, происходящих в первую секунду после взрыва сверхновой, – это задача для суперкомпьютеров уже следующего поколения», – считает Алекс Фридленд. Но при этом он уточняет: «Думаю, что имеющиеся расчеты довольно точно описывают явления, происходящие в течение первых нескольких секунд». Особенно сложно спрогнозировать, как нейтрино будут взаимодействовать друг с другом в сверхплотном ядре сверхновой и менять при этом ароматы. «Необходимо просчитать квантовую механику для целого ансамбля частиц», – отмечает Фридленд.

Следует рассказать и еще об одной «обсерватории» принципиально иной конструкции, которая потенциально может дать совершенно уникальные сведения, особенно если при этом она также поможет обнаруживать нейтрино; эта обсерватория вскоре будет готова к изучению взрыва сверхновой, если он произойдет. Речь идет об обсерватории LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), два корпуса которой расположены на расстоянии около 3000 км друг от друга – в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. В обоих комплексах имеется L-образная система туннелей. Туннели в каждой паре расположены перпендикулярно друг к другу, длина каждого из них составляет 4 км. Каждый из туннелей насквозь просвечивается лазерным лучом, пропущенным через длинную вакуумную трубку. На пункте управления установлена точнейшая аппаратура, позволяющая уловить малейшие изменения в расстоянии, преодолеваемом лучом лазера. Если LIGO зарегистрирует подобное изменение пути между двумя туннелями хотя бы в одну тысячную ширины протона, это будет означать, что на пути лазера оказались гравитационные волны. Гравитационные волны – это легкая рябь, разбегающаяся по ткани пространства под действием далекого катаклизма. Эти тончайшие «космические складки» были предсказаны еще в рамках гравитационной теории Альберта Эйнштейна, но до сих пор их не удавалось наблюдать непосредственно. Гравитационные волны настолько незаметны, что даже от проезжающего мимо вас грузовика возникает более сильная вибрация, чем от столкновения двух нейтронных звезд в космосе. Именно поэтому в эксперименте LIGO два комплекта идентичного оборудования установлены в двух удаленных друг от друга лабораториях: необходимо отличать подлинный космический сигнал от многочисленных «локальных» помех.