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

Нейтрино не только обладают массой, но и проявляют еще ряд странных свойств. Данные, полученные в ходе эксперимента LSND (Жидкий сцинтилляторный детектор нейтрино), проводившегося в 1990-е гг. в Лос-Аламосе для изучения изменчивой природы нейтрино, свидетельствуют, что у нейтрино не три аромата, как считалось ранее, а четыре. Проект MiniBooNe («Малый усилительный эксперимент с нейтрино») также продемонстрировал признаки существования четвертого типа [44] Замечены аномалии и в галлиевых экспериментах, а также недостача в реакторных антинейтрино, которые возможно объяснить при добавлении нейтрино четвертого типа. – Прим. ред. . Если такие нейтрино действительно есть в природе, то они должны быть еще более неуловимы, чем нейтрино первых трех ароматов. Вероятно, эти частицы тяжелее, чем нейтрино трех других ароматов, и не поддаются слабому ядерному взаимодействию, поэтому мы не сможем наблюдать их напрямую. Такие «стерильные» нейтрино тем не менее будут оказывать на окружающую материю гравитационное воздействие.

В NASA проводился проект WMAP (Зонд микроволновой анизотропии им. Уилкинсона). Это космическая обсерватория, регистрирующая едва заметную рябь пространства, являющуюся дальним отголоском Большого взрыва. Результаты работы обсерватории WMAP позволяют усомниться в существовании нейтрино четвертого типа. Структура флуктуаций космического фонового микроволнового реликтового излучения содержит следы целого паноптикума элементарных частиц, существовавших в молодой Вселенной. Проанализировав массив данных, зарегистрированных обсерваторией WMAP за целых девять лет, специалисты пришли к выводу, что в настоящее время, вероятно, существует всего три сорта нейтрино. В марте 2013 г. ученые опубликовали еще более точные карты космического реликтового излучения, составленные при помощи орбитального аппарата Planck Европейского космического агентства. Им также не удалось найти доказательств существования стерильных нейтрино, что разочаровало некоторых исследователей, рассчитывавших на более впечатляющие результаты.

Однако Джанет Конрад из Массачусетского технологического института, которая участвовала в эксперименте MiniBooNE, пока не готова окончательно согласиться с отсутствием четвертого типа нейтрино. Она полагает, что «Вселенная сложна, и стерильные нейтрино могли ускользнуть от Planck». Конрад указывает, что другие эффекты, в частности, асимметрия между нейтрино и антинейтрино в молодой Вселенной, могут «замаскировать» существование стерильных нейтрино. Кроме того, космологи не в состоянии напрямую измерить количество типов нейтрино, а логически выводят это значение на основании модели со множеством параметров. Если откорректировать хотя бы один из этих параметров – например, присвоить наблюдаемой скорости расширения Вселенной немного большую величину, – то существование четырех типов нейтрино окажется вполне допустимым. Конрад объясняет, что «именно поэтому физики и предпочитают наблюдать частицы непосредственно», а не полагаться на ограниченные данные космологии. «Могу утверждать только одно, – продолжает Конрад, – если прямой поиск стерильных нейтрино увенчается успехом, то космологические модели придется пересмотреть».

Действительно, охота на нейтрино может дать нам удивительные новые открытия о Вселенной, в которой мы живем, причем стоимость таких исследований будет на порядки ниже, чем цена конструирования мощных ускорителей частиц. Борис Кайзер из лаборатории Fermilab отмечает: «Физика нейтрино не такая уж и затратная. Она гораздо дешевле, чем Большой адронный коллайдер». На протяжении ближайшего десятилетия американские физики планируют сосредоточить исследовательскую работу на экспериментах с мощными пучками частиц и высокочувствительными детекторами, не требующих конструирования все более и более мощных ускорителей для достижения все более высоких энергий. Физика нейтрино сейчас находится в центре внимания американских ученых. Стивен Вайнберг полагает, что такая смена приоритетов действительно целесообразна. «Нейтрино позволяют нам исследовать очень интересный фронтир, причем за довольно небольшие деньги», – поясняет он. Хитоси Мураяма придерживается аналогичного мнения: «Эксперименты на высокоэнергетических ускорителях в США приходят в упадок. Сейчас ведущую роль в этой области исследований играет БАК. Поэтому Fermilab связывает большие надежды с нейтринными экспериментами, во многом потому, что они дешевле ускорителей нового поколения».

К огорчению американских охотников за нейтрино, запуск следующей большой исследовательской программы, «Нейтринного эксперимента с длинной базой» (LBNE), пока откладывается. Физики рассчитывали, что Национальный научный фонд и Министерство энергетики совместно профинансируют этот эксперимент почти на $2 млрд. Но обе организации отказались придерживаться первоначального плана, поскольку в непростые финансовые времена стоимость проекта была сочтена слишком высокой. «Это досадно, но не смертельно, – признается Кайзер, – когда Национальный научный фонд отказался от участия, конечно же, Министерство энергетики не могло потянуть в одиночку этот проект, руководители которого тем не менее готовы работать в этом направлении». Действительно, в декабре 2012 г. Министерство энергетики предварительно одобрило реализацию упрощенной версии этого эксперимента стоимостью вдвое меньше, чем предполагал исходный план. Задумано построить небольшой детектор и установить его на поверхности земли, а не под землей.

Тем временем исследователи из других стран также не сидят сложа руки. Нейтринная лаборатория Садбери в Канаде была коренным образом переоборудована, сейчас в ней готовится несколько новых экспериментов. Эта подземная лаборатория, которая теперь называется SNOLAB, увеличилась в четыре раза. В Японии планируется построить Hyper-Kamiokande, нейтринный детектор в десять раз крупнее Super-Kamiokande. Европейцы готовят новые эксперименты в лаборатории Гран-Сассо в Италии, а также проектируют гигантский подземный детектор LAGUNA [45] Проект объединился с LBNE, поменявшим название на DUNA, реализация которого намечена в США. – Прим. ред. .

Наступает новая удивительная эпоха охоты на нейтрино. Ученые горячо обсуждают создание новых исследовательских инструментов, интерес к которым за последние 15 лет значительно вырос. «Лаборатории с новыми возможностями почти всегда приводят нас к неожиданным открытиям», – считает Кайзер. В качестве подтверждения этому он напоминает, что детектор Kamiokande изначально строился для проверки гипотезы о том, имеют ли протоны период полураспада, который должен значительно превышать возраст Вселенной. Никаких доказательств распада протонов пока не обнаружено, однако эксперимент позволил выявить дефицит солнечных нейтрино и впервые уловить нейтрино, прилетевшие на Землю из-за пределов Солнечной системы, а именно – от сверхновой 1987А. Кроме того, детектор Kamiokande сыграл важную роль в открытии осцилляций нейтрино. «Физика нейтрино гораздо богаче, чем мы могли предполагать», – заявляет Георг Раффельт.