Рэй Джаявардхана

Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей

Переводчик Олег Сивченко

Научный редактор Дмитрий Горбунов, д. ф.-м. н.

Редактор Антон Никольский

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректоры Е. Аксёнова, М. Миловидова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Дизайн обложки Ю. Буга

Издание подготовлено при поддержке Фонда Дмитрия Зимина «Династия»

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2002 году Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком».

Приоритетные направления деятельности Фонда – поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение.

«Библиотека Фонда «Династия» – проект Фонда по изданию современных научнопопулярных книг, отобранных экспертами-учеными.

Книга, которую вы держите в руках, выпущена под эгидой этого проекта.

Более подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.ru.

NEUTRINO HUNTERS: The Thrilling Chase for a Ghostly Particle to Unlock the Secrets of the Universe by Ray Jayawardhana Copyright © 2013 by Ray Jayawardhana

Published by arrangement with Scientific American, an imprint of Farrar, Straus and Giroux, LLC, New York.

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2015

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

* * *

Моей матери Сириме с любовью и благодарностью

В науке самая частая фраза, предваряющая новые открытия, – не «Эврика!», а «Это странно…».

Айзек Азимов

Глава 1

Охота начинается

Норвежский премьер-министр Йенс Столтенберг стоял в красном пуховике под голубым небом на высоте 3000 м над уровнем моря. Вокруг расстилались ослепительно белые снега, столбик термометра опустился до отметки примерно –30 °C. «Мы собрались здесь, чтобы отметить один из величайших подвигов в истории человечества!» – воскликнул Столтенберг, пытаясь перекричать шум флагов, полощущихся на ветру, и скрип снега под зимними сапогами собравшихся, после чего торжественно открыл бюст изо льда на глазах у пары сотен сотрудников, гостей и туристов. Скульптура была установлена на колонне, доходившей человеку примерно до пояса.

«Вот этот герой!»

В ледяном изваянии угадывались черты легендарного соотечественника Столтенберга – Руаля Амундсена. Скромная церемония, состоявшаяся на южной макушке земного шара, ознаменовала столетие со дня открытия Южного полюса. 14 декабря 1911 г. Амундсен и четверо его соратников добрались до Южного полюса, совершив историческую экспедицию во славу молодой норвежской нации. Всего шестью годами ранее Норвегия обрела независимость, выйдя из состава Швеции. Амундсен и его люди, мчавшиеся к цели на собачьих упряжках, намеревались во что бы то ни стало оказаться на полюсе первыми и действительно почти на пять недель опередили трагически погибшую британскую экспедицию, которую вел за собой морской офицер Роберт Фолкон Скотт. Так норвежцы совершили, бесспорно, одно из величайших географических открытий.

Ледяная пустыня, на чьих просторах в начале прошлого века развернулась яростная гонка между Амундсеном и Скоттом, когда ради престижа целых наций герои не щадили своей жизни, сегодня вновь сделалась полем жаркой борьбы для нового поколения исследователей. Правда, на этот раз ученые состязаются в области гораздо более тонких материй. Сегодня Антарктику покоряют отважные естествоиспытатели, жаждущие разгадать тайны жизни, нашей планеты и всей Вселенной. Каждое лето в Антарктиде трудятся более тысячи ученых и специалистов, помогающих проводить исследования. Геологи вырезают ледяные керны и отслеживают движения ледников, стремясь уловить развитие климатических изменений. Метеорологи запускают в небо наполненные гелием аэростаты, измеряя уровень озона в стратосфере и дополняя таким образом данные об озоновом слое, полученные космическими спутниками. Палеонтологи ищут окаменелости древних животных, исчезнувших в результате величайшего вымирания видов, которое произошло на Земле около 250 млн лет назад. Биологи исследуют сухие антарктические долины в поисках микроорганизмов, благоденствующих в экстремальных условиях. В начале 2012 г. после многолетних бурильных работ российские ученые прошли двухкилометровую толщу льда и достигли поверхности древнейшего озера Восток. Этот первозданный резервуар подледной воды был скрыт от солнечного света и наружного воздуха на протяжении 20 млн лет. Ученые надеются найти в озере ранее не известные формы жизни.

Двумя годами ранее мне довелось не понаслышке узнать, каково жить и работать на льду. Я отправился в Антарктиду в составе научной экспедиции, занимавшейся сбором метеоритов. На военно-транспортном самолете мы прибыли из Новой Зеландии на станцию Мак-Мердо, где находится американский научно-исследовательский центр. Станция расположена на берегу Антарктиды, вблизи того места, где в 1902 г. высадился Скотт со своей экспедицией. Целую неделю мы потратили на подготовку, тренировку, укладку снаряжения, а затем направились в сезонный базовый лагерь. Там мы погрузились в самолет Twin Otter на лыжном шасси и завершили последний этап нашего путешествия. Небольшая крылатая машина, которой управляли канадские пилоты «авиации труднодоступной местности», оставила нас на отдаленном ледяном поле всего в пяти градусах от Южного полюса. Нас было восемь человек – две женщины и шестеро мужчин. Мы установили на льду желтые остроконечные «скоттовские» палатки, где провели следующие пять недель на пробирающем до костей холоде. Мы были практически полностью отрезаны от мира, если не считать спутниковой телефонной связи. Время от времени нам сбрасывали с самолета припасы и почту. Стояло антарктическое лето. Солнце не заходило за горизонт, а лишь ежедневно описывало в небе полный круг, двигаясь против часовой стрелки. Вокруг не было ни малейших признаков жизни – ни людей, ни животных, ни растений.

День за днем, если только удавалось выдерживать ледяной ветер, мы выезжали из лагеря на снегоходах либо просто бродили по раскинувшемуся вокруг ледяному полю и по моренам у холмов, пытаясь разыскать камни, прилетевшие из космоса. Мы облачались в толстые красные пуховики, надевали термобелье, меховые унты, шеегрейки, перчатки, снегозащитные очки, балаклавы и шапки. В ходе таких вылазок мы старались беречься от обморожений и не попадать в ледяные трещины. В Антарктиде ничего не стоит соскользнуть в расщелину и расшибиться об лед, твердый, как скала. Однажды я действительно свалился со снегохода и больно ушибся, но, к счастью, толстый пуховик смягчил удар. С другими членами нашей группы также случались подобные мелкие неприятности, но мы пережили холод, рутину и изоляцию без каких-либо серьезных проблем. На самом деле по-своему мы даже наслаждались суровой красотой этого края, самые величественные виды которого открывались с вершин холмов. Мы даже умудрялись как-то развлекаться. За время экспедиции нам удалось собрать около 900 метеоритов, которые сегодня исследуют ученые со всего мира, а мы в награду за эту работу приобрели незабываемые впечатления. А еще мне запомнились изумительные императорские пингвины и пингвины Адели, которых мы незадолго до отъезда встретили недалеко от станции Мак-Мердо. Немного жалею о том, что так и не съездил на Южный полюс, хотя был совсем недалеко от него.

Исследования, которые ведутся в районе Южного полюса, можно смело сравнить с работами на другой планете. Вероятно, те ученые, которые сегодня там трудятся, полностью разделяют мнение Марселя Пруста, говорившего: «Подлинное открытие не в том, чтобы обнаружить новые земли, но в том, чтобы видеть мир новыми глазами». Один из самых интересных исследовательских приборов, установленных поблизости от Южного полюса, – устремленный в небо радиотелескоп диаметром 10 м. Он улавливает слабое остаточное свечение, еще сохраняющееся после Большого взрыва. Кейт Вандерлинде, мой коллега из Торонто, провел почти весь 2008 г. за обслуживанием этого телескопа. Кейт пережил в Антарктиде полярную ночь, которая на этой широте длится полгода, лютые морозы, когда столбик термометра падал до −73 °C, а также невыносимое чувство изоляции, не говоря уже о снежных буранах и смертельной тоске. И все же самые необычные и новаторские научные приборы, установленные рядом с Южным полюсом, находятся глубоко под толщей льда. И направлены они не вверх, как телескопы, а вниз. Возведение – точнее говоря, закапывание – этих конструкций было завершено всего за год до того, как в мире отмечали столетие со дня подвига Амундсена. Прибывавшие высокопоставленные гости видели довольно прозаическую картину: обычный прямоугольный фургон-лабораторию на полозьях, нашпигованный проводами и компьютерами. Было практически невозможно догадаться, что же находится там, глубоко внизу. Однако ученые предусмотрительно установили на ледяном поле череду ярких флажков, которые красноречиво свидетельствовали о циклопических размерах лаборатории.

«Ледяной куб» – совершенно уникальная обсерватория. Глетчерный лед, толщина которого в этом месте более 2 км, на большой глубине становится совершенно прозрачным и не содержит даже пузырьков воздуха – их вытесняет чудовищное давление. Вечный лед выполняет такую же функцию, как и главное зеркало обычного оптического телескопа. Вглубь льда вертикально уходят 86 длинных стальных тросов, на которых через равные промежутки навешено по 60 сфер размером примерно с баскетбольный мяч. В каждом из этих 5160 шаров находятся оптические датчики и электроника. Датчики – фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – отдаленно напоминают обычные лампы накаливания, но действуют прямо противоположным образом: они собирают свет и преобразуют его в электрические сигналы. В лаборатории «Ледяной куб» эти датчики отслеживают в подземном льду слабые синие вспышки, которые иногда мерцают в кромешной тьме. Как только датчик фиксирует вспышку, он посылает сигнал на компьютер, расположенный в наземной лаборатории.

Эти голубые искры возникают, когда через лед проходят элементарные частицы – мюоны. Мюоны подобны электронам, но примерно в 200 раз массивнее их. Физики обрабатывают сигналы, поступающие от различных датчиков, и на основе этой информации могут построить траекторию мюона в трех измерениях. Однако исследователей интересуют не мюоны как таковые. Главная цель – нейтрино, гораздо более неуловимая и, пожалуй, самая парадоксальная из всех известных субатомных частиц. Эти призрачные частицы время от времени сталкиваются с протонами, находящимися в молекулах льда, «высекая» из протонов мюоны. Рождение мюона сопровождается голубой искрой, мюоны подсвечивают лед и выдают присутствие нейтрино. Поскольку новоиспеченный мюон пронизывает лед практически по той же траектории, по которой в эту глыбу попал таинственный нейтрино, ученые могут определить по следу мюона, откуда пришел нейтрино.

Нейтрино – это элементарные частицы. Они подобны электронам, которые роятся вокруг атомного ядра, или кваркам, из которых состоят протоны и нейтроны. Нейтрино – одни из фундаментальных первоэлементов материи, однако они свободно проникают в атомы и покидают их. Кроме того, в отличие от многих других субатомных частиц, нейтрино не имеют электрического заряда, обладают ничтожной массой и практически не взаимодействуют с другими частицами. Если бы можно было создать свинцовый стержень длиной в один световой год[1], то типичный нейтрино мог бы пройти его из конца в конец, не задев ни одного атома. Именно в этом и заключается основная загвоздка, связанная с исследованием нейтрино: эти частицы, если можно так выразиться, патологически застенчивы. Они ни за что не желают взаимодействовать со своими собратьями, поэтому их так сложно отловить. Но время от времени нейтрино все-таки сталкиваются с другими частицами – например, с протоном из молекулы воды. Обычно это происходит случайно. Задача физиков – повысить вероятность такого столкновения и, следовательно, увеличить наши шансы увидеть нейтрино. Поэтому ученые конструируют огромные уловители этих частиц. Один из подобных комплексов – лаборатория «Ледяной куб».

Непосредственно наблюдать нейтрино невозможно, однако можно зафиксировать их присутствие по характерным следам, которые оставляют эти частицы. В тех редких случаях, когда нейтрино все-таки взаимодействуют с материей, они порождают заряженные частицы – например, мюоны. Такие частицы уже можно зарегистрировать при помощи физических приборов. Но отличить нейтринные сигналы от «фонового шума» – задача не из легких. Дело в том, что космические лучи – стремительные частицы, прилетающие из межзвездного пространства, – также порождают мюоны. Поэтому нейтрино просто тонут в потоке космических лучей.

Охотники за нейтрино устанавливают свои приборы глубоко под землей или под толстым слоем льда, чтобы в них не могли попасть мюоны, образовавшиеся под действием космических лучей. Как подметила Джанет Конрад, сотрудница Массачусетского технологического института, «если вы хотите расслышать шепот, то вокруг должна стоять полная тишина».

Схема нейтринной обсерватории «Ледяной куб»

(J. Yang/NSF)

Итак, поймать нейтрино нелегко, их можно назвать одними из самых интересных космических гостей. Нейтрино скрывают в себе тайны природы материи, детали звездных взрывов и даже могут рассказать о структуре самой Вселенной. Более того, физик-теоретик Борис Кайзер считает, что «если бы не было нейтрино – не было бы и нас». Кайзер работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми – Fermilab, расположенной недалеко от Чикаго. В этой лаборатории было поставлено несколько важных экспериментов, связанных с изучением нейтрино. Итак, вот что имеет в виду Кайзер:

«Энергия Солнца, от которой зависит вся жизнь на Земле, возникает в результате ядерных реакций. А реакции эти были бы невозможны без участия нейтрино». Более того, без нейтрино никогда не вспыхнули бы ядерные реакции более древних поколений звезд, а ведь именно они породили все сравнительно тяжелые химические элементы, на основе которых возникла жизнь. «Соответственно, – резюмирует Кайзер, – чтобы познать сущность Вселенной, мы должны как следует изучить нейтрино».

К счастью, при всей своей неуловимости нейтрино весьма многочисленны. Фактически это самая распространенная элементарная частица во Вселенной. По оценке Хитоси Мураяма, сотрудника Токийского университета и Калифорнийского университета города Беркли, на каждый атом во Вселенной приходится миллиард нейтрино. Физик полагает, что «такое изобилие нейтрино свидетельствует о том, что они играют во Вселенной важную роль. Вклад нейтрино в энергетический баланс Вселенной сравним с аналогичным вкладом всех звезд». На самом деле около 100 трлн нейтрино, рожденных в ядерном пламени Солнца, успевают проскочить через человеческое тело всего за одни сутки. Иначе говоря, эти частицы непрерывно простреливают нас днем и ночью. Тем не менее они не только не причиняют нам ни малейшего вреда, но и не оставляют следов. За всю вашу жизнь даже один-единственный нейтрино вряд ли столкнется с атомом вашего тела. Нейтрино пролетают через толщу земных пород абсолютно беспрепятственно, как пули сквозь туман. Кроме того, нейтрино образуются и в недрах Земли в процессе распада радиоактивных элементов, а также возникают в верхних слоях атмосферы в результате взаимодействия заряженных космических частиц с атомами газов. Катастрофическая агония любой массивной звезды сопровождается грандиозными выбросами нейтрино. Нейтрино вырываются невредимыми из этого хаоса, а когда достигают Земли – сообщают нам о величественных небесных драмах, разворачивавшихся на расстоянии миллионов световых лет от нас. Наконец, сама наша планета буквально плывет в море космических нейтрино, сформировавшихся за какие-нибудь пару секунд после рождения Вселенной.

Стоит ли удивляться, что такие причудливые свойства вызвали живейший интерес к нейтрино в массовой культуре. Еще в 1960 г. Джон Апдайк написал восхитительное стихотворение «Космическая наглость» (Cosmic Gall), в котором расточал комплименты неуловимым нейтрино. Это произведение было впервые опубликовано в журнале The New Yorker. Апдайк писал, что нейтрино пролетают через земной шар легче, чем пылинки через продуваемый сквозняками коридор, пронизывая Землю, как солнечный свет – оконное стекло[2]. Канадская группа Klaatu, игравшая в жанре прогрессив-рок (ходили ложные слухи, что на самом деле под псевдонимом Klaatu записывались сами The Beatles), также упомянула неуловимость нейтрино в одной из песен, вошедших в альбом 1976 г. Наконец, эксцентричные персонажи «нейтрино» фигурируют в известном телевизионном мультсериале «Черепашки-ниндзя».

Неудивительно, что нейтрино упоминаются и в популярном сериале-ситкоме «Теория Большого взрыва» (The Big Bang Theory), двое из главных героев которого – физики. Научный консультант сериала – Дэвид Зальцберг из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса – сам является физиком и, в частности, работает с нейтринными телескопами. В сериале есть такая сцена: Шелдон Купер, один из главных героев, у себя в кабинете ломает голову над уравнениями, записанными на доске; тут входят Леонард Хофштадтер – коллега Купера, вместе с которым они живут в одной комнате, а также их общий друг, инженер Говард Воловиц. Шелдон восклицает: «Вот ты где, мой пропавший нейтрино! Скрывался от меня, как несбалансированный заряд, верно? Ах ты, маленький субатомный чертенок!» Пропустив мимо ушей дружеские приветствия, он продолжает: «Смотрите, я нашел мой потерянный нейтрино!» Говард сухо отвечает: «Отлично, теперь мы можем убрать надпись “Разыскивается” с пакетов молока».

Нейтрино фигурируют во многих научно-фантастических произведениях. Как правило, по их вине случаются странные события или возникают катаклизмы. Например, в романе Роберта Сойера «Вспомни, что будет»[3] (Flashforward) рассказывается о выбросе нейтрино умирающей звездой. Все люди, подвергшиеся действию нейтринного вихря, ненадолго теряют сознание и словно во сне переживают события, которые произойдут примерно через 21 год. В романе Грега Бира «Основание и хаос» (Foundation and Chaos) сильнейшая нейтринная буря стирает из памяти роботов те правила, которым они должны следовать (что-то вроде «Законов робототехники» Айзека Азимова). В результате на Земле воцаряется хаос. Не так давно вышел голливудский фильм-катастрофа «2012» режиссера Роланда Эммериха, сюжет которого опять же завязан на необычных свойствах, приписываемых нейтрино: якобы эти частицы перегревают земное ядро, что вызывает катастрофические землетрясения и наводнения.

Несмотря на популярность нейтрино в массовой культуре, реальные научные исследования, связанные с этими частицами, долго не привлекали внимания широкой общественности, обсуждаясь исключительно в кругах профессиональных физиков. Ситуация изменилась совсем недавно – термин «нейтрино» попал в заголовки прессы, поскольку была выдвинута гипотеза, что эти частицы, возможно, движутся со сверхсветовой скоростью. Как известно, Альберт Эйнштейн еще в 1905 г. обосновал, что, согласно законам физики, ничто во Вселенной не может превысить скорость света. Крупная международная коллаборация физиков, называемая OPERA[4], озвучила этот поразительный вывод в исследовательской статье, которая была опубликована в Интернете, а также представлена на пресс-конференции, состоявшейся в конце сентября 2011 г. По данным ученых, частицы преодолели со сверхсветовой скоростью расстояние между Лабораторией изучения физики частиц Европейской организации ядерных исследований (CERN), расположенной в Женеве, Швейцария, и подземным детектором, установленным в местечке Гран-Сассо на территории Италии. Нейтрино проделали этот путь на 60 наносекунд быстрее, чем если бы двигались со скоростью света.

Несмотря на то, что докладчик OPERA рассказал об этом результате в очень осторожных выражениях, и, невзирая на скептическую реакцию большинства специалистов по нейтрино, новость мгновенно облетела весь мир. Пожалуй, такой ажиотаж был неудивителен, учитывая, какой переворот в науке могло совершить подобное открытие. Если бы оно подтвердилось, то сразу же опровергло бы эйнштейновскую Специальную теорию относительности – краеугольный камень современной физики. В статье журнала Time, посвященной этому событию, отмечалось: «Если результаты эксперимента европейцев верны, Эйнштейн был не просто не прав, а ошибался бы в корне». Большинство физиков и журналистов подчеркивали, что ошеломляющие выводы эксперимента требуют более детального исследования и независимой проверки. «Если этот результат подтвердится, он изменит весь мир, – говорилось в статье The New York Times, – но речь идет о колоссальном “Если”».

Однако все эти перестраховочные выражения померкли на фоне бурных спекуляций о путешествиях со сверхсветовой скоростью и грандиозных перспективах новой физики. Повсюду зазвучали шутки о нейтрино и о том, как эти частицы связаны с путешествиями во времени. Некоторые остряки заявляли, что в Швейцарии нейтрино вели себя законопослушно, но, стоило им пересечь границу Италии, как они сразу же преодолели световой барьер. В сериале «Теория Большого взрыва» Шелдон Купер пытается оживить беседу за обедом и предлагает обсудить тему: «Движущиеся быстрее света частицы CERN – будоражащее открытие или очередное швейцарское творение, такое же дырявое, как их сыр?» Ирландская фолк-группа Corrigan Brothers, выступавшая, кстати, в 2009 г. на инаугурации президента Барака Обамы, выложила на YouTube свою песню, исполненную совместно с Питером Крейтоном. В этой композиции музыканты задавались вопросом: остается ли верным уравнение E = mc2, если нейтрино могут двигаться со сверхсветовой скоростью? Правда, в финале песни музыканты предостерегают слушателей от поспешных выводов и предполагают, что, возможно, Эйнштейн все-таки был прав насчет непреодолимости скорости света.

Некоторые ученые пытались найти этому результату объяснение, которое не отменяло бы предельности светового барьера. Физики-теоретики предположили, что швейцарские нейтрино могли проникнуть в Италию через какое-то скрытое измерение, как в сериале «Звездный путь», уменьшив таким образом расстояние, которое требовалось покрыть. Предлагалось и иное объяснение, связанное с искривлением пространства-времени поблизости от Земли. Многие критики указывали на то, что в эксперименте могли быть попросту допущены ошибки. Физики Эндрю Коэн и Шелдон Глэшоу из Бостонского университета указали на серьезную теоретическую нестыковку: если бы поток нейтрино двигался со сверхсветовой скоростью, он бы порождал массу других элементарных частиц и, следовательно, стремительно терял бы энергию. Таким образом, к моменту прибытия в Гран-Сассо в этом потоке должны были бы отсутствовать нейтрино высоких энергий, чего в реальности не наблюдалось. Тем временем в середине ноября коллаборация OPERA провела второй, более точный замер скорости, который еще раз подтвердил поразительный результат эксперимента.

Спустя три месяца CERN выпустил краткое, но критически важное уточнение. В нем среди прочего сообщалось: «Участники коллаборации OPERA проинформировали своих партнеров о том, что им удалось обнаружить два эффекта, которые могли повлиять на изменение скорости нейтрино. Причем эти эффекты могли привести как к переоценке, так и к недооценке скорости». Первый возможный эффект связан с генератором импульсов, который использовался для получения точных сигналов времени в системе синхронизации GPS и мог завысить время полета нейтрино. Второй эффект связан с разъемом волоконно-оптического кабеля, по которому передавался внешний сигнал системы GPS к главным часам эксперимента. Этот разъем мог быть неправильно подсоединен во время проведения измерений и вызвать занижение времени полета нейтрино. В большинстве статей в СМИ, а также в комментариях по этому поводу именно вторая версия трактовалась как наиболее вероятная. В газете The Wall Street Journal отмечалось, что эта ошибка может быть чревата «удручающими последствиями» для допустивших ее исследователей. 16 марта 2012 г. опыт с нейтрино был повторно поставлен другой группой физиков, которые также установили свой детектор ICARUS в районе Гран-Сассо. Они опубликовали новые данные о полете нейтрино из CERN в Гран-Сассо; на этот раз измеренная скорость частиц не превышала скорость света. «Новые данные указывают на то, что результат, полученный коллаборацией OPERA, был обусловлен дефектом измерительного оборудования», – заявил Серджио Бертолуччи, директор по исследованиям CERN.

Пусть в итоге и оказалось, что нейтрино не движутся быстрее света, эти частицы уже поведали нам массу интересного о причудах субатомного мира и даже позволили заглянуть в пылающие солнечные недра. Кроме того, без нейтрино невозможно было бы сконструировать ни атомную бомбу, ни ядерный реактор. Именно нейтрино стали «первыми ласточками», по которым ученые узнали о драматической кончине массивной разбухшей звезды, взорвавшейся на расстоянии 160 000 световых лет от нас в галактике Большое магелланово облако (БМО). БМО – это галактика-спутник Млечного Пути, большой спиральной галактики, в которой обитаем мы. БМО можно наблюдать в небе Южного полушария в виде тусклого мутного пятнышка. Три подземных детектора, установленные в России, США и Японии, уловили около двух десятков нейтрино, образовавшихся при этом взрыве. Это ничтожная доля от миллиардов миллиардов этих частиц, пронизавших нашу планету в ходе краткого нейтринного всплеска, который пришелся на 23 февраля 1987 г. Нейтрино были пойманы всего через несколько часов после того, как в высокогорной чилийской обсерватории удалось наблюдать взрыв этой сверхновой в видимом спектре.

За прошедшие годы тема нейтрино привлекала внимание самых выдающихся умов и неординарных личностей из мира теоретической физики. Среди наиболее крупных ученых, интересовавшихся этими частицами, был остроумный интеллектуал Вольфганг Паули, подчеркивавший на примере нейтрино, что современная физика переживает кризис. Был мятежный гений Этторе Майорана, строивший теории о «зеркальных близнецах» нейтрино; в возрасте 32 лет Майорана пропал без вести. Был убежденный социалист Бруно Понтекорво, указавший на возможность перехода одного типа нейтрино в другой; после войны Понтекорво эмигрировал в СССР, спровоцировав крупный скандал времен холодной войны. Некоторые охотники за нейтрино ставили эксперименты глубоко под землей, стремясь заглянуть в недра Солнца, другие устанавливали нейтринные ловушки рядом с мощными ядерными реакторами, чтобы зафиксировать, как нейтрино переходят из одной формы в другую. За последние два десятилетия страсть к нейтрино завладела многими и многими учеными, которые присоединились к этому увлекательному поиску.

Дело в том, что золотые времена охотников за нейтрино еще впереди. Возможно, эти призрачные частицы помогут нам раскрыть величайшие секреты Вселенной, подскажут, откуда берутся загадочные космические лучи, ежесекундно бомбардирующие Землю. Современные астрономы вынуждены работать только в видимом, радиоволновом и рентгеновском спектре электромагнитного излучения далеких небесных тел. Для них нейтрино буквально проливают свет на самые бурные природные явления. Во многом именно нейтрино вызывают грандиозные взрывы сверхновых. Некоторые ученые предполагают, что так называемая «темная материя», которая составляет около четверти всей массы Вселенной, но никак себя не обнаруживает за исключением гравитационного воздействия на видимые галактики, вполне может состоять из разнообразнейших видов нейтрино. В настоящее время микроволновые телескопы позволяют измерить едва заметное свечение, сохранившееся с момента Большого взрыва. Следы первозданных нейтрино позволяют лучше понять условия, которые сложились во Вселенной практически сразу после ее рождения.

Более того, возможно, что именно благодаря нейтрино во Вселенной вообще есть материя – то есть мы обязаны этим частицам самим своим существованием. Сразу после Большого взрыва высвободилось огромное количество энергии и стали во множестве возникать элементарные частицы и парные им античастицы. На тот момент плотность космического вещества была так высока, что эти пары должны были мгновенно образовываться и почти сразу же аннигилировать, оставляя после себя целое море излучения. Неминуемая катастрофа не наступила, поскольку материи во Вселенной образовалось чуть больше, чем антиматерии. Физики ломают голову над тем, почему возникла такая асимметрия. Одно из вероятных объяснений таково: в первозданной Вселенной сверхтяжелые элементарные аналоги нейтрино распадались таким образом, что на каждый миллиард пар «частица – античастица» приходилась одна избыточная частица – то есть вещество преобладало над антивеществом. Сегодня, измеряя едва уловимые свойства легких нейтрино, мы пытаемся определить, насколько реалистичен такой сценарий и действительно ли он мог обусловить столь крохотный перевес материи над антиматерией. Борис Кайзер подчеркивает: «Опять же, если бы не нейтрино, нас бы, наверное, просто не существовало».

Захватывающе, хотя и страшновато, рассуждать о перспективах физики, выходящей за пределы так называемой «Стандартной модели». Стандартная модель, сформулированная в начале 1970-х, описывает около двух десятков элементарных частиц и соответствующих им парных античастиц, три типа взаимодействий между ними, а также симметрию, определяющую эти взаимодействия. Это самое лучшее описание субатомного мира, которое на сегодняшний день у нас есть. За прошедшие десятилетия были проведены бесчисленные эксперименты, подтвердившие прогнозы Стандартной модели и ее исключительную точность. Сегодня в CERN работает Большой адронный коллайдер (БАК), уже ставший легендарным. Этот гигантский ускоритель частиц – самая мощная и дорогая научная машина современности – был сконструирован за немыслимую сумму $9 млрд практически с единственной целью: отловить последнюю недостающую частицу, которая подтвердила бы полноту Стандартной модели. В БАК действительно удалось получить бозон Хиггса – ранее гипотетическую частицу, благодаря которой, согласно Стандартной модели, все остальные элементарные частицы обладают массой[5]. Стандартная модель, однако, предполагает, что нейтрино не имеют массы, существуют в трех разновидностях (так называемых «ароматах») и не могут менять форму. Тем не менее уже известно, что нейтрино обладают массой (пусть крошечной, но не нулевой), а также способны плавно менять аромат. Изящная структура Стандартной модели дала трещину. Если удастся доказать, что на самом деле существует более трех ароматов нейтрино – а некоторые данные уже позволяют сделать такое предположение, – то будут потрясены самые основы современной физики. Вот что говорит об этом Кейт Скулберг из Университета Дюка: «Мы стоим на пороге открытия новой физической картины мира. Нам уже не терпится познакомиться с ее сюрпризами». Она отмечает, что «нейтрино открывают перед нами целый комплекс новых феноменов, которые мы можем исследовать для более точного понимания природы Вселенной».

Нейтрино играют ведущую роль во множестве событий, которые сегодня разворачиваются в физике, космологии, астрономии. Неудивительно, что ученые не покладая рук охотятся за этими крошечными частицами. За последние 20 лет в разных уголках земного шара были поставлены нетривиальные эксперименты, связанные с изучением нейтрино. Охота на нейтрино разыгрывалась и в глубокой никелевой шахте в провинции Онтарио, и в туннеле, насквозь пронизывающем горный массив в центральной Италии, и на свалке ядерных отходов в штате Нью-Мексико, и в бухте Южно-Китайского моря.

Самой неординарной ловушкой для нейтрино остается комплекс «Ледяной куб» – крупнейший в мире нейтринный телескоп, на строительство которого было потрачено около $270 млн. Запуск обсерватории воплотил мечты, которые всю жизнь лелеял талантливый ученый Френсис Хальцен, вставший во главе этого проекта.

Хальцен вырос в Бельгии и в молодости мечтал стать школьным учителем. Однако в университете он всерьез увлекся физикой и полностью посвятил себя науке. Проработав несколько лет в CERN, Хальцен перебрался в Висконсинский университет Мэдисона, где около 40 лет занимал должность профессора. Занимаясь теоретической физикой, Хальцен сначала исследовал некоторые проблемы квантовой механики, но в середине 1980-х заинтересовался нейтрино. О том, что в Антарктике все активнее ведутся исследования, связанные с нейтрино, Хальцену поведали коллеги из Канзасского университета, когда он выступал там с лекцией. Хальцен узнал, что советские ученые, работающие на одной из полярных станций, пытаются фиксировать электрические вспышки, возникающие в результате столкновения космических нейтрино с полярным льдом; для чего используют радиоантенны. Хальцен счел подобный эксперимент очень интересным и, заручившись помощью двоих сотрудников, взялся рассчитать, насколько сильными могут быть такие сигналы. Результаты оказались неутешительными: выяснилось, что радиоимпульсы от большинства таких «толчков» слишком слабы, чтобы их зафиксировать. Группа Хальцена пришла к выводу, что советские эксперименты обречены на провал. Они решили, что скорее имеет смысл фиксировать вспышки света во льду, свидетельствующие о пролете нейтрино. Сам же Хальцен был убежден, что если разместить систему светочувствительных датчиков в толще антарктического льда, то такая установка будет отлично улавливать нейтрино, прилетающие из глубин космоса.

Хальцен загорелся идеей соорудить в Антарктиде совершенно новый нейтринный телескоп. Он связался по электронной почте с несколькими коллегами-физиками и поинтересовался, что они думают о подобном проекте. Среди тех, кто получил письмо Хальцена, был и Джон Лирнид, сотрудник Гавайского университета. Лирнид происходит из старинного новоанглийского рода, среди его предков был, в частности, один из генералов, участвовавших в Войне за независимость США. Детство Лирнида прошло на острове Статен-Айленд близ Нью-Йорка, лето он проводил на севере штата Нью-Йорк, у бабушки и дедушки. Как вспоминает сам Лирнид, ему нравилось чувствовать себя чужаком в обоих этих мирах: «В деревне меня считали городским, в городе – деревенским». В старших классах Джон трудился в школьной газете, а также работал на метеорологической станции, установленной прямо на крыше школы. Лирнид вспоминает, как однажды вызвался организовать передвижную естественно-научную выставку, «потому что это была отличная отмазка, чтобы не сидеть в классе». Позже, будучи студентом Бруклинской средней технической школы, Лирнид посещал множество практических курсов, которые помогли ему поднатореть в экспериментальной физике. Он продолжил обучение в аспирантуре Вашингтонского университета, где исследовал перспективы изучения в подводных установках космических лучей и составляющих их частиц. Лирнид сконструировал баркас, поставил его на якорь посреди озера Челан и погрузил детекторы частиц в глубокую чистую воду.

Окончив аспирантуру, он стал работать на исследовательской станции Эхо-Лейк в Скалистых горах, на территории штата Колорадо. Там он жил в деревянной хижине с женой и двумя детьми. Именно в этот период Лирнид серьезно заинтересовался нейтрино, а позже перебрался на Гавайи – там ученый надеялся развернуть огромную решетку подводных нейтринных ловушек прямо в тихоокеанских водах. Гавайские острова имеют вулканическое происхождение, поэтому океан здесь очень глубокий. Учитывая интересы и опыт Лирнида, неудивительно, что Хальцен решил проконсультироваться с ним насчет установки нейтринных датчиков в толще вековых антарктических ледников.

Коллеги обсудили достоинства хэлзеновского проекта. «Лирнид сразу же оценил потенциальные преимущества антарктического нейтринного телескопа», – свидетельствует Хальцен. Судите сами: полярный лед чистый, стабильный, стерильный, не пропускает свет, в нем не живут биолюминесцентные организмы, которые могли бы испортить эксперимент своими «световыми помехами». Наконец, во льду нет морской соли, а значит – и элементов, испускающих радиоактивное излучение в процессе распада (эти лучи легко спутать со следами нейтрино). Не менее важен был тот факт, что Национальный научный фонд США (NSF) уже имел исследовательскую базу в районе Южного полюса, поэтому мог оказать необходимую логистическую поддержку. Хальцен, воодушевившись энтузиазмом Лирнида и его помощью в моделировании детекторов, объявил об их общем проекте на конференции, состоявшейся в Польше, а также подробно описал будущую лабораторию в статье, вышедшей в 1987 г. Правда, на этом он и остановился, так как, будучи теоретиком, не имел опыта реализации таких масштабных экспериментов и не решался браться за столь титаническую задачу.

Хальцен вспоминает об одном телефонном разговоре, который состоялся примерно через год после этих событий: ему позвонил взбешенный чиновник из Национального научного центра. Клерк пожаловался, что двое молодых физиков, работавших в Калифорнийском университете города Беркли, пытались провезти в Антарктиду целую связку ФЭУ и вставить их в ледяную скважину, не имея на это официального разрешения. Чиновник спросил Хальцена, не он ли вбил парням в голову «эту безумную идею». Хальцен заверил собеседника, что слыхом не слыхивал о двоих физиках из Беркли, которые, очевидно, побывали в Польше на конференции, где Хальцен и Лирнид обсуждали свой проект.

Позже Хальцен вышел на контакт с группой коллег из Беркли, чтобы вплотную приступить к реализации идеи. Сначала ученые проверили ее осуществимость, опустив 200-метровый трос с тремя ФЭУ в скважину, пробуренную гляциологами во льду Гренландии. Затем они приступили к работе над пилотным проектом AMANDA[6], профинансированным NSF. Работа развернулась в 1992 г., когда в Южном полушарии стояло лето. Физики позаимствовали технологию, которой пользуются при сверлении льда ученые-гляциологи: из бура, как из огромного душа, под давлением подается горячая вода, растапливающая лед и упрощающая тем самым бурение. Скважина не замерзает несколько дней; этого времени достаточно, чтобы опустить в нее кабель с датчиками.

В сочельник 1993 г. исследователи погрузили в лед первую партию ФЭУ. В этот вечер Хальцен был в Бельгии, встречал Рождество в семейном кругу. Как теоретик он не был обязан присутствовать на месте работ. Правда, и для Хальцена в этот вечер решалось очень многое; во время праздничного ужина он частенько поглядывал на экран ноутбука, проверяя, не пришло ли ему новое электронное письмо с Южного полюса. Позже Хальцен писал: «Достаточно сложно жить не отрываясь от телефона, постоянно связываясь с коллегами, работающими на другом конце света. Но если сознаешь, что ты – член большой команды, вместе с которой участвуешь в невероятном приключении, знаешь, что твои спонсоры и коллеги с нетерпением ожидают результата, а ты сам абсолютно не властен как-то повлиять на этот результат – то сложно придумать более изощренную пытку». Как только к столу подали десерт, Хальцену пришло сообщение о том, что установка успешно запущена.

Ликовать коллегам пришлось недолго, так как они почти сразу же столкнулись с неожиданными проблемами. В частности, ФЭУ регистрировали слишком много голубых вспышек от мюонов, порождаемых космическими лучами. Исследователи полагали, что под 800-метровый слой льда, где установлены датчики, не должны проникать мюоны, порождаемые космическими лучами. Те немногие мюоны, которые они рассчитывали зафиксировать на такой глубине, явно должны были высекаться нейтрино, приходящими снизу, с другой стороны Земли. На практике все оказалось иначе; по словам Хальцена, система регистрировала «какую-то бессмысленную мешанину». Но труднее всего оказалось справиться с пузырьками воздуха, заключенными в толще льда; они рассеивали нейтринные вспышки, из-за чего выявить сами частицы становилось гораздо сложнее. Оказалось, что на такой глубине пузырьков еще очень много, причем они были примерно в 50 раз крупнее, чем предполагалось в теории. Поэтому основной проект был отложен, а команда принялась продумывать необходимые доработки. Было принято решение бурить еще глубже, опуская датчики на полторы-две тысячи метров в толщу льда. На таких глубинах голубые вспышки, означающие встречу с нейтрино, должны были бы просматриваться лучше, поскольку высокое давление гарантированно вытесняло бы из этой толщи льда почти все пузырьки воздуха.

Эксперимент AMANDA продлился около 10 лет – с того момента, как была пробурена первая скважина и до окончательного закрытия. Тем временем Лирнид и коллеги после многолетних усилий отказались от проекта подводной нейтринной установки у гавайских берегов, поскольку столкнулись с серьезными техническими проблемами. Хальцен и его группа узнали много нового и о свойствах антарктического льда, и о способах обнаружения нейтрино. Опираясь на приобретенный опыт, команда приступила к созданию «Ледяного куба». Эта обсерватория должна была стать в 100 раз крупнее, чем ее предтеча – телескоп AMANDA. Строительство «Ледяного куба» началось в 2005 г.

«Ледяной куб» – чудо инженерной мысли, возведенный в экстремальных условиях. Как и AMANDA, этот антарктический проект приходилось полностью обеспечивать с Большой земли. Речь шла не только о запчастях, бурильном оборудовании, обслуживающем персонале, но и о доставке провианта и топлива. Для подвоза всего этого оснащения использовались грузовые самолеты Hercules C-130 на лыжном шасси. На последнем этапе пути – от станции Мак-Мердо на побережье Антарктики до Южного полюса (это расстояние составляет около 1500 км) – самолетами управляли пилоты ВВС США. Инженеры использовали специально изготовленный для проекта бур высокого давления. Из наконечника этого бура под напором подавалась горячая вода, такая установка должна была просверлить лед на глубину более 2 км. Потребовалось два дня непрерывной эксплуатации и более 18 000 л бензина, чтобы пробурить одну скважину, растопив почти 760 000 л льда. Когда ледяная шахта была готова, в нее аккуратно опустили стальной кабель с датчиками. Так, скважина за скважиной, сезон за сезоном, была «возведена» обсерватория «Ледяной куб». Работы проводились в период с ноября по февраль – в эти месяцы в Антарктиде наступает лето, солнце круглые сутки не заходит за горизонт и стоит сравнительно теплая погода.

Хальцен признается, что испытал «огромное облегчение», когда работы были завершены в декабре 2010 г. «Теперь, когда “Ледяной куб” готов, мы начинаем забывать, насколько рискованной и нетривиальной была эта затея. Я даже составил список всех этапов, на которых мне казалось, что проект вот-вот сорвется», – добавляет он. Работа велась на лютом холоде, на большой высоте (свыше 3000 м над уровнем моря) и в ужасающей изоляции – в таких условиях все риски чрезвычайно возрастали. Однажды в ходе строительства рабочий нечаянно ухватился за шланг, свешивающийся с бурильной вышки, и упал спиной на монолитный лед, когда этот шланг взмыл вверх. Пострадавшего потребовалось срочно доставить в Новую Зеландию для экстренного лечения, на полное восстановление потребовалось более месяца.

Стальной кабель опускается в толщу антарктического льда

(M. Krasberg/NSF)

Но тот риск, на который пошли Хальцен с коллегами, – строительство «Ледяного куба» – уже с лихвой себя оправдал. За первые два года эксплуатации обсерватории удалось зафиксировать два необычных нейтринных сигнала, обладавших беспрецедентно высокими энергиями. В 2012 г. на конференции, состоявшейся в Киото, выступил Ая Исихара – участник проекта «Ледяной куб», сотрудник японского университета Тиба. Исихара сообщил о двух этих «ПэВ-событиях», названных так потому, что они сопровождались выделением энергии порядка петаэлектронвольт (то есть квадриллион электронвольт). Этот показатель примерно в миллион раз превышает энергию массы протона. Такие невероятные величины поразили многих астрофизиков. Вот что сказал по этому поводу Спенсер Клейн, сотрудник Национальной лаборатории им. Лоуренса из города Беркли: «Энергия этих нейтрино в тысячи раз превышает ту, которую нам когда-либо удавалось сообщить нейтрино в наших ускорителях частиц».

Сначала исследователи решили проверить, не могут ли такие ПэВ-нейтрино возникать в результате столкновения высокоэнергетических космических лучей с атомами азота и кислорода земной атмосферы. По результатам дальнейших наблюдений и анализа эта гипотеза была отвергнута. Хальцен говорит: «По всей вероятности, эти явления не связаны с атмосферой – вот что самое интересное». Иными словами, чтобы разгадать природу этих бурных всплесков энергии, мы должны обратить внимание на очень далекие небесные тела. Исследователи полагают, что такие нейтрино могут быть отголосками мощных выбросов, извергаемых колоссальными черными дырами, что расположены в центрах галактик. Другое возможное объяснение – грандиозные взрывы, сопровождаемые мощными гамма-всплесками. Возможно, при таких событиях высвобождается даже больше энергии, чем при взрывах сверхновых.

Нейтринная обсерватория «Ледяной куб» в лунном свете

(E. Jacobi/NSF)

За последние два десятилетия астрономы подтвердили, что в центрах многих галактик – в том числе Млечного Пути – таятся гигантские черные дыры. От полюсов галактики к центру тянутся мощные потоки энергии. Ученые полагают, что такие потоки возникают именно под действием черных дыр, которые притягивают к себе вещество с периферии, а затем силой своих магнитных полей извергают часть этого вещества обратно в межзвездное пространство. Частицы, наполняющие эти потоки, развивают субсветовые скорости. Поэтому вполне возможно, что в таких потоках возможно присутствие высокоэнергетических нейтрино, вроде тех, что были зафиксированы в «Ледяном кубе». Исследователи полагают, что гамма-всплески могут знаменовать гибель самых массивных звезд, будучи при этом еще одним источником высокоэнергетических нейтрино. Такие всплески гамма-излучения были случайно открыты в конце 1960-х со спутников, разработанных для отслеживания гамма-излучения (которое могло возникать в результате секретных космических ядерных испытаний). Впоследствии гамма-всплески озадачили ученых на целые десятилетия. Последние исследования позволяют предположить, что гамма-всплески состоят из узких (остронаправленных) пучков очень быстрых частиц, испускаемых при гибели массивных звезд, впоследствии превращающихся в черные дыры или нейтронные звезды. Как бы то ни было, в «Ледяной куб», очевидно, попали частицы, прибывшие прямо с места подобных событий. Возможно, эти стремительные нейтрино помогут нам лучше понять одно из наиболее впечатляющих явлений природы.

«Ледяной куб» – самая экзотическая нейтринная лаборатория нового поколения, обладающая беспрецедентной чувствительностью к этим частицам. Некоторые подобные установки – сам «Ледяной куб», а также еще более грандиозная сеть уловителей, которая сейчас конструируется на дне Средиземного моря, – спроектированы специально для отслеживания нейтрино, прилетающих из глубокого космоса или образующихся при столкновении космических лучей с земной атмосферой[7]. Существуют и нейтринные установки другого рода: например, в толще гор Икенояма в шахте Намиока в Японии установлен огромный детектор, сравнимый по размерам с собором[8]. Еще одна подобная установка, которая весит не меньше чем 5000 автомобилей, сокрыта в шахте на территории штата Миннесота. Этот уловитель измеряет потоки нейтрино, генерируемые ускорителями частиц, находящимися в сотнях километрах от Миннесоты. Наконец, следует упомянуть и об экспериментах третьего типа, которые ведутся, например, во французском местечке Шо и в бухте Дайя Бэй у берегов Китая. Здесь изучаются нейтрино, образующиеся при работе атомных электростанций.

Итак, все эти научные комплексы образуют внушительный арсенал современных охотников за нейтрино. Реализация этих проектов свидетельствует, что погоня за нейтрино, когда-то остававшаяся на периферии физической науки, сегодня вызывает всеобщий интерес. В следующих главах мы подробнее познакомимся с этими захватывающими исследованиями, а также проследим все их изумительные перипетии. Мы отправимся в дивную новую эпоху, которая, возможно, откроет нам величайшие тайны, касающиеся как мегамира, так и микромира. Не исключено, что эти знания заставят нас пересмотреть излюбленные современные теории о природе вещей. По ходу повествования мы познакомимся с людьми, посвятившими всю жизнь погоне за самой неуловимой из элементарных частиц. На страницах этой книги вы узнаете и о первых физиках-теоретиках, чьи базовые работы подвели науку к признанию самого факта существования нейтрино, и о современных экспериментаторах, стремящихся понять причудливые свойства этой частицы. Кроме того, мы вкратце обсудим героические начинания этих ученых и их удивительные жизненные пути.

Глава 2

Ужасный поступок

Первая треть XX в. была для физиков просто головокружительной эпохой. Мир стоял на пороге целых двух физических революций. Первая зарождалась на макрокосмическом уровне: специальная и общая теории относительности заставили человечество принципиально переосмыслить все, что было ранее известно о пространстве, времени, движении и гравитации. На уровне субатомного мира бурно развивалась новоиспеченная теория квантовой механики, открывавшая перед учеными причудливый мир, полный поразительных феноменов, где неопределенность правит бал, а парадоксы встречаются на каждом шагу.

Легендарный Альберт Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности в 1905 г., когда ему было всего 26 лет. В те времена он работал простым клерком в швейцарском патентном бюро. Нельзя сказать, что в основе этой теории лежали совершенно новаторские идеи: еще тремя веками ранее Галилей отмечал, что все движение относительно и состояния абсолютного покоя не существует. Именно поэтому, если корабль плывет с равномерной скоростью, то все физические тела у него на борту претерпевают такие же физические воздействия, как если бы корабль стоял на причале. Кроме того, этот принцип объясняет, почему нас не сдувает с поверхности Земли из-за того, что она вращается. Но Эйнштейн радикально расширил эту галилеевскую концепцию, предположив, что ход времени относителен, а скорость света – постоянна. Согласно теории Эйнштейна, свет в вакууме всегда перемещается с одинаковой скоростью, даже если бы вы попытались ее измерить, пролетая мимо источника света со субсветовой скоростью. С математической точки зрения ситуация именно такова, однако на уровне обыденного опыта она приводит к странным эффектам – в частности, чем выше скорость, с которой вы движетесь, тем медленнее для вас идет время. Если в будущем космонавт будет путешествовать со скоростью, составляющей 95 % скорости света, то и стареть он будет гораздо медленнее, чем его брат-близнец, оставшийся на Земле. Как это ни поразительно, ученые действительно доказали, что «замедление времени» – объективная реальность. Для этого потребовалось установить атомные часы на самолете, обогнувшем Землю, и сравнить время на них и на точно таких же часах, оставшихся на земле. Кроме того, этот феномен был многократно подтвержден, когда физики измеряли, как варьируется время жизни различных частиц с изменением их скоростей.

Спустя 10 лет после формулировки специальной теории относительности Эйнштейн представил миру общую теорию относительности, которая совершенно по-новому описывала принципы тяготения (гравитации). На 250 лет ранее Ньютон трактовал тяготение как силу притяжения между физическими телами. Его приближения по-прежнему вполне верны для решения большинства практических задач, даже для запуска космического корабля на Луну. Однако Эйнштейн в рамках своей общей теории относительности предложил рассматривать силу тяжести как геометрический феномен – искривление пространства-времени, возникающее под действием массы. Его величественные уравнения превосходят по точности законы Ньютона, так как отлично описывают физические законы, действующие и на сверхвысоких скоростях, и в условиях мощных гравитационных полей – подобных тем, что возникают в непосредственной близости от черных дыр. Более того, все затеи с GPS-навигацией даже в сравнительно слабом гравитационном поле Земли провалились бы с треском, если бы при их разработке не учитывались уравнения Эйнштейна. Часы на искусственных спутниках программируются инженерами с учетом феноменов специальной и общей теории относительности – именно поэтому спутниковые и наземные часы отсчитывают время совершенно синхронно.

В первой трети XX в. работала целая плеяда физиков – Макс Планк, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг – разрабатывавших основы квантовой механики. Эта дисциплина была призвана объяснить законы взаимодействия материи и излучения на субатомном уровне. Планк и другие полагали, что энергия передается в виде дискретных пучков, так называемых «квантов». Атомы поглощают или излучают кванты, в результате чего переходят, соответственно, на более высокий или более низкий энергетический уровень. Осознав этот факт, физики стали рассматривать материальный мир под совершенно новым углом. Классическая физика трактовала свет как волну, но теперь свет можно было описать и как поток частиц, называемых «фотонами». Кроме того, выяснилось, что элементарные частицы, например, электроны, проявляют и волновые свойства. Этот феномен получил название «корпускулярно-волновой дуализм». Концепция корпускулярно-волнового дуализма подразумевает, что в субатомном мире не существует четкой разницы между частицей и волной; напротив, электрон, фотон и другие частицы могут выступать то в одной, то в другой ипостаси. Такая теория позволила гораздо полнее описать взаимодействие между излучением и материей. Более того, Гейзенберг указал, что в квантовом мире царит постоянная неопределенность, не позволяющая полностью описать все свойства, которые присущи любой частице в каждый момент времени. Детерминизм классической физики на квантовом уровне не работает, уступая место статистическим вероятностным показателям. Квантовые эксперименты не оканчиваются строго определенными результатами, а лишь позволяют спрогнозировать вероятность того или иного результата. Для иллюстрации именно этого феномена Эрвин Шрёдингер предложил знаменитый мысленный эксперимент, получивший название «Кот Шрёдингера». Согласно этому эксперименту, кот, заключенный в герметичном ящике, в любой момент времени может быть как жив, так и мертв; наблюдатель сможет с определенностью узнать состояние кота, только если вмешается в эксперимент (откроет ящик). Следствия таких теоретических построений оказались настолько поразительными, что Нильс Бор якобы даже изрек: «Всякий, кто не был шокирован квантовой теорией, просто ее не понял».

Интересно отметить, что в этот период бурного расцвета физики теоретическая и экспериментальная наука развивались одинаково активно. Иногда эксперименты давали поразительные подтверждения теоретических прогнозов. Именно такой случай произошел в 1919 г., когда две группы астрономов, наблюдая солнечное затмение в разных точках земного шара, убедительно доказали: Солнце действительно искривляет свет, приходящий от далекой звезды, – в полном соответствии с общей теории относительности Эйнштейна. В других случаях те или иные экспериментальные данные удавалось адекватно объяснить при помощи новой теории. Например, Бор использовал концепцию квантования энергии, чтобы объяснить цвет спектральных линий атомов водорода при поглощении света этими атомами. Он предположил, что спектральные линии возникают при переходе электронов с одной орбиты атома на другую, причем эти орбиты в атомном ядре являются фиксированными. Сам Эйнштейн опирался на квантовую теорию, описывая, как свет, попадающий на определенные материалы, «высекает» из них электроны. Однако время от времени результаты экспериментов выявляли противоречия, и теоретикам ничего не оставалось, кроме как искать новые объяснения для этих природных феноменов.

На фоне столь бурных событий и были «придуманы» нейтрино. Физики буквально создали их на кончике пера, применив такую уловку, чтобы справиться с нараставшим кризисом в ядерной физике. Лишь много позже существование нейтрино было подтверждено экспериментально. Когда ученым не удалось установить, куда девается часть энергии, выделяющейся при бета-распаде, один ученый-теоретик решил, что необходимо «изобрести» новую частицу, наличие которой позволило бы устранить эту неувязку. Этим теоретиком-чародеем был дерзкий молодой гений, начинающий физик по имени Вольфганг Паули.

Паули родился в Вене в 1900 г. и вырос в атмосфере, где всегда приветствовалось обсуждение с детьми серьезных вопросов. Отец Паули был известным профессором-химиком, а мать – журналисткой, писала театральные рецензии, исторические эссе и политические статьи с социалистическим уклоном. У мальчика Вольфи было счастливое детство – он проводил время за играми с младшей сестрой, подолгу гулял в лесу, раскинувшемся неподалеку от дома, плавал в Дунае. В школе он пользовался авторитетом среди однокашников, а также с удовольствием подшучивал над учителями. Так, одного низенького учителя, который обладал способностью откуда ни возьмись очутиться прямо в компании школьников, Паули прозвал U-Boot (подводная лодка). По древнегреческому и латыни Паули успевал неважно, зато просто блистал на уроках математики и физики. Вскоре он стал скучать на школьных занятиях по естественным наукам, и отец выхлопотал Паули частные уроки, на которых молодой человек приступил к углубленному изучению физики.

Именно приглашенный отцом учитель познакомил юного Паули с общей теорией относительности Эйнштейна. Немногие физики в те годы понимали эту красивую, но революционную теорию, а тем более – ее невероятно глубокую подоплеку. Но Паули не составило труда с ней разобраться. Всего через два месяца после окончания средней школы он написал собственную научную статью на эту тему. Паули был твердо намерен сделать академическую карьеру в области физики и в 1918 г. отправился в Мюнхен учиться у Арнольда Зоммерфельда, одного из первопроходцев в нарождающейся науке – квантовой механике. Статья Паули, с которой ознакомился даже сам Эйнштейн, очень впечатлила Зоммерфельда. Он написал об этом одному коллеге, отмечая: «Я познакомился с изумительным представителем венской интеллектуальной элиты. Это молодой Паули – студент первого курса!»

Альберт Эйнштейн и Вольфганг Паули

(Pauli Archive, CERN)

За три года работы под руководством Зоммерфельда Паули защитил докторскую диссертацию в области квантовой механики. Затем по просьбе Зоммерфельда он подготовил обзорную статью по теории относительности для «Энциклопедии математических наук». Эта 240-страничная «статья» была позже опубликована как монография. Эйнштейн, прочитав шедевр Паули, восторженно отозвался о его труде: «Тот, кто будет читать эту зрелую и тщательно продуманную работу, вряд ли поверит, что ее автору всего 21 год. Не известно, чему следует удивляться больше: глубокому психологическому пониманию хода развития идей, безупречности математических выводов, глубокому проникновению в физическую сущность явлений, способности ясно и систематически излагать предмет, литературной эрудиции, полноте изложения, уверенности критика».

Вскоре Паули стал переписываться с ведущими физиками со всей Европы. Письма, которые он шутливо подписывал «Бич Божий», отличались остроумием и сарказмом, а также бескомпромиссной критикой.

Коллеги рассказывали, что Паули любил говаривать «Это не только неправильно, это даже не дотягивает до ошибочного!», развенчивая теории, которым явно не хватало строгости и проверяемых гипотез. Однажды, когда Эйнштейн выступил в Берлине с лекцией по теории относительности, маститые профессора, присутствовавшие в аудитории, несколько смутились – никто не решался первым задать вопрос. Тут поднялся Паули и беззастенчиво заявил: «То, что рассказал нам профессор Эйнштейн, не так уж и глупо, как может показаться на первый взгляд». В другой раз Паули сделал такое множество замечаний по поводу лекции, прочитанной Паулем Эренфестом (этот голландский физик был на 20 лет старше Паули), что сам Эренфест сказал ему: «Ваши статьи нравятся мне гораздо больше, чем вы сами!» Паули парировал: «Странно. Мои чувства к вам прямо противоположны!» Позже Паули и Эренфест стали друзьями, но не упускали случая обменяться колкостями. Разумеется, ершистый Паули многим не нравился, но он снискал уважение коллег не только за блестящий интеллект, но и за честность и прямоту. Ученые считали Паули «совестью физики» и часто интересовались «А что по этому поводу думает Паули?», когда знакомились с теми или иными новыми идеями.

Паули провел немало времени в Гёттингене и Копенгагене, где работал вместе с другими великими физиками, а затем стал научным сотрудником в университете Гамбурга. Работая в Гамбурге, 25-летний Паули сформулировал знаменитый принцип квантовой механики («принцип запрета»), который сегодня носит его имя. Принцип Паули критически важен не только для понимания свойств целого класса субатомных частиц, известных под общим названием «фермионы» (к которым относятся электроны, протоны и нейтроны), но также для описания внутренней организации звезд. Принцип Паули гласит, что никакие два фермиона в пределах одной квантовой системы не могут в один и тот же момент пребывать в одинаковом «квантовом состоянии» – то есть не могут обладать одинаковым спином и энергией. В субатомном мире этот принцип обусловливает структуру электронных оболочек внутри атомов: на одном и том же энергетическом уровне могут находиться не более двух электронов с одинаковым спином, поэтому другим электронам приходится заполнять новые энергетические уровни. В космическом масштабе принцип Паули объясняет, почему возникают белые карлики (сверхплотные звездные). В белый карлик превращаются такие звезды, как Солнце, когда они израсходуют все свое ядерное топливо и начинают сжиматься. Материя в белых карликах сжата настолько сильно, что на каждом энергетическом уровне уже сидит по паре электронов. После достижения такого предела сила гравитации уже не может сжать белый карлик еще сильнее (по крайней мере без радикального увеличения массы этого небесного тела), поэтому белый карлик не превращается в черную дыру. За открытие принципа запрета Паули спустя 20 лет получил Нобелевскую премию по физике, поскольку этот принцип позволяет объяснить самые разнообразные физические явления.

На рубеже 30 лет в жизни Паули наступил неспокойный период. Его отец, давно прослывший бабником, бросил мать Паули ради молодой женщины, которая была просто отвратительна самому Вольфгангу. Вскоре после разрыва с мужем мать Паули свела счеты с жизнью, приняв яд. Отцовская измена и трагическая смерть матери надломили Паули. Однако в тот же месяц, когда молодой человек потерял мать, он получил и хорошую новость: ему предложили должность профессора в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, несмотря на то что Паули был известен как посредственный лектор. Он прибыл в Цюрих в апреле 1928 г., чтобы занять этот престижный пост. По словам самого Паули, он был «одет как турист, с рюкзаком за спиной».

Правда, на новом месте Паули так и не воспрял духом. Исследования не ладились, он даже подумывал завязать с физикой и взяться за написание утопического романа. Разочарованный Паули жаловался в одном из писем Бору, что проблема заключалась совсем не в нехватке времени на научные исследования: «Я просто туп и ленив. Эх, если бы кто-нибудь ежедневно давал мне встряску! Но с тех пор, как делать это стало некому, приходится изыскивать другие средства, чтобы оживить интерес к физике». Возможно, Паули не мог сосредоточиться на работе, так как его расхолаживала вольготная жизнь в Цюрихе: он плавал в озере, обедал в дорогих ресторанах, посиживал с коллегами в пивных, общался с известными адвокатами, писателями и деятелями искусств. После такой передышки, продлившейся несколько месяцев, Паули удалось завершить в соавторстве с Гейзенбергом две важные научные работы по теории квантовой электродинамики, описывающие взаимодействие света и материи.

Именно тогда Паули влюбился в Кэти Деппнер, с которой познакомился на вечеринке у одного из друзей. Вольфганг впервые повстречал Кэти несколькими годами ранее, будучи в Берлине. В Швейцарии между ними вспыхнула бурная страсть, уже в декабре 1929 г. они поженились. Однако этот роман с самого начала был обречен. Еще до брака с Паули Кэти увлеклась другим мужчиной, а после свадьбы отказалась порвать с любовником. Паули знал об интрижке и пытался как-то с этим ужиться. Он шутил, что женился «кое-как», и обещал друзьям, что всем разошлет письменные уведомления, если его супруга все-таки сбежит с любовником. Этот мезальянс просуществовал около года, после чего ожидаемо последовал развод. Паули, сокрушенный и опечаленный, жаловался, что любовь всей его жизни предпочла ему посредственного химика. «Да был бы это хотя бы тореадор – кто-нибудь настолько привлекательнее меня! А тут – какой-то химик…» – сетовал он.

Правда, несмотря на неурядицы в личной жизни, Паули сумел вновь сосредоточиться на науке и восстановить творческий подход к работе. Из всех животрепещущих научных проблем в тот период его наиболее волновал хаос, который царил в ядерной физике. К 1930 г. теория квантовой механики уже пользовалась безоговорочным авторитетом, причем благодаря этой теории удалось достичь ошеломляющих успехов. Но сохранялась одна заковыристая проблема: физики заметили, что всякий раз, когда радиоактивный атом теряет электрон, часть высвобождаемой при этом энергии куда-то девается. Это противоречило фундаментальному физическому закону сохранения энергии: количество исходящей энергии должно быть равно количеству затраченной. Такое несоответствие озадачивало многих ведущих ученых, в том числе Паули, так как указывало на принципиальный изъян в понимании квантовой физики.

Вся эта история началась еще в 1896 г., когда французский физик Анри Беккерель совершенно случайно открыл явление радиоактивности. Беккерель оставил в выдвижном ящике несколько фотопластинок, нечаянно положив рядом с ними образцы солей урана. Через несколько дней он с удивлением обнаружил на фотопластинках пятна, как будто они были засвечены. Беккерель догадался, что соли урана испускают какое-то неизвестное излучение. Ученый поставил несколько уточняющих опытов и выяснил, что такое излучение действительно существует, причем является неотъемлемым свойством урана. Любопытная находка Беккереля заинтересовала многих ученых. В те годы в Кембридже работал Джозеф Томсон – первооткрыватель электрона. Он рассказал об открытии Беккереля своему аспиранту Эрнесту Резерфорду и посоветовал обратить внимание на это явление. Резерфорд приехал в Англию из пасторальной Новой Зеландии. Он был четвертым из 12 детей в простой крестьянской семье, что не помешало ему блестяще учиться в университете. Кстати, Резерфорд экспериментировал с радиоприемником примерно в тот же период, что и Маркони[9]. Получив именной грант, Резерфорд перебрался в Англию, где намеревался подготовить докторскую диссертацию на тему радиоволн под руководством Томсона. Действительно, живо заинтересовавшись открытием Беккереля – а также, вероятно, зная о скептическом мнении известного физика лорда Кельвина, считавшего, что «у радио нет будущего», – Томсон порекомендовал Резерфорду исследовать этот новый вид излучения.

Резерфорд приступил к систематическому изучению беккерелевских «урановых лучей». Для этого он поставил ряд хорошо продуманных экспериментов. Он оборачивал уран в алюминиевую фольгу, постепенно увеличивая количество таких оберток. Резерфорд пришел к выводу, что уран испускает как минимум два типа лучей. Первый тип лучей, которые он назвал «альфа-излучением», не мог проникнуть даже через лист тонкой алюминиевой фольги. Лучи второго типа, «бета-излучение», пробивали защитный слой в 100 раз толще. Французский физик Поль Виллар, экспериментируя с солями радия, в 1900 г. открыл и третий тип излучения. Естественно, это явление было названо «гамма-излучением» – по третьей букве греческого алфавита.

Тем временем в Париже Пьер и Мария Кюри также заинтересовались лучами, которые открыл Беккерель. Пьер Кюри, выросший во французской столице, получил домашнее образование – в основном от отца, который был врачом. Окончив физический факультет в Сорбонне, Кюри стал преподавателем физики в этом университете. Вместе с братом он ставил эксперименты, связанные со сжатием кристаллов, – Кюри обнаружил, что таким образом можно генерировать электричество. Позже Кюри исследовал явление магнетизма, посвятив этой проблеме свою докторскую диссертацию; в частности, он открыл, что магнитные свойства веществ изменяются в зависимости от температуры. Мария (в девичестве Склодовская) родилась в польской преподавательской семье и стремилась во что бы то ни стало получить высшее образование. Еще подростком она посещала тайную школу для девушек, организованную польскими патриотами, несмотря на то что власти царской России запрещали подобную деятельность[10]. Позже она работала гувернанткой в богатых варшавских семьях, помогая таким образом сестре оплачивать обучение в парижском медицинском институте.

В возрасте 24 лет Мария сама смогла перебраться в Париж и поступить в Сорбонну. Один из преподавателей Марии познакомил ее с Пьером Кюри; вскоре Мария и Пьер не только отлично сработались, но и полюбили друг друга. В одном из писем к Марии Пьер признавался: «Как было бы прекрасно (об этом я не смею даже думать) вместе пройти по жизни, мечтая: Ваша патриотическая мечта, наша гуманитарная мечта и наша научная мечта. Из всего этого единственная мечта, которая, я верю, может осуществиться, связана с наукой». Сначала Мария отказывалась выйти замуж за Пьера, но наконец согласилась, и они поженились в 1895 г. Это был крепкий союз. Мария писала: «Нас с мужем так тесно связывала наша взаимная страсть и общая работа, что мы практически все время проводили вместе».

Супруги Кюри предложили термин «радиоактивность» в качестве наименования феномена, открытого Беккерелем, и стали искать другие вещества, также обладающие подобными свойствами. Занимаясь лабораторными исследованиями, Кюри установили, что минерал настуран содержит еще два ранее неизвестных элемента, которые еще более радиоактивны, чем уран. Один из этих элементов они назвали «полоний» в честь Польши – родины Марии Кюри, а второй – «радий». Радий давал такое сильное излучение, что даже был теплым на ощупь. Кюри выяснили, что радиоактивность присуща отнюдь не только урану, а также доказали, что некоторые химические элементы выделяют энергию спонтанно, без какого-либо внешнего воздействия.

К сожалению, Пьер и Мария даже не подозревали, каким пагубным является длительное воздействие радиации на организм. Мария Кюри часами работала с радиоактивными веществами в тесном сарае, носила в карманах пробирки с радиоактивными образцами. Она вспоминала: «Мы любили поздним вечером еще раз заглянуть в лабораторию, чтобы побаловать себя фантастическим зрелищем. Повсюду виднелись слабо светящиеся очертания пробирок и мешочков, в которых находились наши препараты. Вид и впрямь был великолепный, всякий раз он казался нам новым. Тлеющие трубки походили на волшебные огоньки». Мария совершенно не подозревала, насколько губительна подобная забава. Вероятно, именно из-за поражения радиацией Мария Кюри умерла, не дожив до 67 лет.

Опираясь на исследования Пьера и Марии Кюри, Резерфорд и его коллеги пришли к выводу, что альфа-лучи состоят из сравнительно тяжелых положительно заряженных частиц. Позже выяснилось, что альфа-частицы действительно являются осколками крупных атомных ядер и каждая такая частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, тесно связанных между собой. Иными словами, альфа-частица – это фактически ядро гелия, очень легкого газа, стоящего в таблице Менделеева под номером 2 – сразу после водорода. Таким образом, физики установили, что, когда нестабильное ядро тяжелого элемента, например урана, испускает альфа-частицу, оно в результате превращается в ядро уже другого, чуть более легкого элемента. Опыты супругов Кюри показали, что бета-лучи, в свою очередь, заряжены отрицательно. Анри Беккерель и немецкий физик Вальтер Кауфман выяснили, что бета-лучи состоят из электронов. Спустя еще несколько лет физики открыли, что гамма-лучи – самый проникающий вид радиоактивного излучения – это особые электромагнитные лучи, напоминающие рентгеновские и несравнимо более высокоэнергетические, чем видимый свет.

Сегодня физики уже знают, что радиоактивность как таковая отлично иллюстрирует справедливость самого знаменитого уравнения, красующегося даже на футболках и кофейных кружках: E = mc2. Это уравнение, выведенное Эйнштейном, означает: масса (m) может превращаться в энергию (E) и наоборот, причем активность такого преобразования зависит от скорости света (c). Когда при радиоактивном распаде ядро элемента претерпевает изменения, часть заключенной в нем энергии выделяется в виде гамма-лучей, альфа– или бета-частиц. Согласно закону сохранения энергии сумма масс и энергий у конечных продуктов должна быть такой же, как и у исходного ядра.

При исследовании альфа-распада и гамма-излучения у физиков без проблем сходился баланс энергий. Однако с бета-распадом такого не получалось. Претерпевая бета-распад, ядро, очевидно, теряло всего одну частицу – электрон. Сложность заключалась в том, что энергия электрона при этом всякий раз получалась разной – это несоответствие в 1914 г. обнаружил британский физик Джеймс Чедвик. Иногда электрон обладал очень малой энергией, в других случаях – значительной. Более того, лабораторные измерения Чедвика, позже подтвержденные другими физиками, свидетельствовали, что показатели энергии электрона, покидающего атом, образуют непрерывный спектр с четко прослеживаемым максимальным значением. Что бы это значило? Согласно закону сохранения энергии при каждом акте бета-распада свободный электрон должен был обладать строго определенной энергией. Некоторые ученые задумывались, соответствует ли максимальный показатель из вышеупомянутого спектра истинному значению энергии, высвобождаемой при бета-распаде, поскольку ничтожная доля этой энергии куда-то исчезала. Очевидно, наука столкнулась с каким-то неизвестным явлением.

Проблема, касающаяся бета-распада, оказалась такой неподатливой и трудноразрешимой, что сам Нильс Бор, патриарх квантовой физики, предлагал вообще отбросить священный для науки закон сохранения энергии. В качестве довольно неуклюжего выхода из сложившегося кризиса Бор в 1930 г. предположил, что закон сохранения энергии может давать сбои в субатомном мире, но лишь в некотором усредненном, статистическом смысле. На одной из лекций, прочитанных в Лондоне, Бор сказал: «Можно утверждать, что мы не обладаем никакими аргументами, как теоретическими, так и эмпирическими, в пользу соблюдения закона сохранения энергии и в случае бета-распада; более того, попытки трактовать бета-распад в контексте этого закона вызывают многочисленные осложнения». Бор, разумеется, признавал, что «решительный отказ от принципа сохранения энергии может повлечь самые невероятные последствия», но настаивал, что «несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последнее время в теории атомного ядра, мы по-прежнему должны быть готовы к новым неожиданностям».

Паули и многие другие физики скептически воспринимали предложение Бора, не желая «браковать» закон сохранения энергии. «Вы и дальше собираетесь третировать несчастный закон сохранения энергии?» – подначивал Паули Бора в одном из писем. Конечно, Паули не был бы собой, если бы ограничился только лишь этим, так что не преминул поддеть Бора и в другой раз: «Допустим, кто-то одолжил у вас большую сумму денег и обещал отдать долг частями. Если бы после этого вы неоднократно договаривались об уплате очередной суммы в счет долга, а должник не являлся бы на встречу – вы бы решили, что это статистическая ошибка или что тут что-то нечисто?»

Действительно, даже под грузом личных неурядиц Паули долго и напряженно размышлял о том, как выйти из затруднительного положения, в которое попали физики, изучая бета-распад. Наконец, он нашел оригинальное решение. Паули предположил, что ученые в самом деле что-то упускают. Возможно, речь шла о какой-то неуловимой частице, убегающей с места бета-распада и уносящей с собой «недостающую» долю энергии. Паули вычислил, что гипотетическая частица, которая позволяла бы сбалансировать исходный и конечный электрические заряды, наблюдаемые при бета-распаде, должна быть нейтральной и весить меньше электрона. Воодушевившись этой идеей, Паули задумал поделиться ею с ведущими европейскими физиками и решил, что это будет удобно сделать на конференции, которая должна была состояться в немецком городе Тюбинген в начале декабря 1930 г. Правда, сам Паули не хотел пропускать цюрихский зимний бал, поэтому предпочел написать письмо коллегам в Тюбинген.

Паули написал это письмо, которое впоследствии стало знаменитым, всего через восемь дней после оформления развода. Он обратился к читателям так: «Уважаемые радиоактивные дамы и господа!»[11] В этом письме Паули объявил, что «предпринял отчаянную попытку спасти… закон сохранения энергии». Он писал: «Имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть нейтронами», на основании чего сделал следующий вывод: «Непрерывный бета-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается еще и нейтрон таким образом, что сумма энергий нейтрона и электрона остается постоянной».

Гипотеза Паули без всякого преувеличения была исключительно дерзкой, и он сознавал, насколько отчаянный поступок совершает. В те годы физикам было известно всего о трех элементарных частицах: протоне, электроне и фотоне. Попытка выдумать совершенно новую частицу, якобы «пока еще не обнаруженную», для решения нетривиальной научной проблемы могла показаться коллегам глупой отговоркой. Далее в письме говорилось следующее: «Пока я не решаюсь публиковать что-нибудь по поводу этой идеи. Полагаю, мое объяснение на первый взгляд может показаться маловероятным, поскольку если бы нейтроны действительно существовали, то кто-нибудь их бы, наверное, заметил. Но кто не рискует – тот не побеждает. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного бета-спектра становится особенно яркой после слов профессора Дебая, сказанных мне с сожалением во время нашей беседы в Брюсселе: “Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах”. Следовательно, необходимо серьезно обсудить любой путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, рассматривайте и судите сами».

Завершая письмо, Паули объяснил свое отсутствие на конференции так: «К сожалению, я сам не могу появиться в Тюбингене, так как предстоящий в Цюрихе бал в ночь с 6 на 7 декабря лишает меня этой возможности». Действительно, бал давали в роскошном отеле Baur au Lac, откуда открывался вид на озеро и Альпы, и это событие было настоящей жемчужиной светского цюрихского календаря, распланированного на всю зиму. Вероятно, Паули желал во что бы то ни стало побывать на этом вечере, чтобы поскорее забыть о разводе. Удивительно, что при всей своей самоуверенности Паули серьезно сомневался, имел ли он право высказать такую идею в области субатомной физики. «Я совершил ужасный поступок. Заявил о существовании частицы, которую невозможно обнаружить. Физик-теоретик не имеет права делать что-либо подобное», – признавался он в письме немецкому астроному Вальтеру Бааде.

Следующим летом Паули побывал в США, где выступил с лекциями в нескольких городах. На конференции, состоявшейся в Пасадене, штат Калифорния, он впервые публично выступил с рассказом о своей гипотетической частице. «Правда, на тот момент тема по-прежнему казалась мне довольно сомнительной, я не хотел, чтобы мой доклад печатали», – вспоминал он впоследствии. Однако новость о его выступлении распространилась быстро, не в последнюю очередь благодаря статье, опубликованной в номере The New York Times от 17 июня 1931 г. В ней, в частности, говорилось: «Сегодня мир теоретической физики познакомился с новым обитателем субатомного мира: доктор В. Паули-младший из Швейцарской высшей технической школы, город Цюрих, сделал доклад о существовании элементарных частиц, которые он окрестил нейтронами».

В ходе лекционного турне Паули продолжал размышлять об этой гипотетической частице и обсуждать ее с коллегами, но в то же время не мог отвлечься от тяготивших его проблем. Несмотря на сухой закон, который действовал в то время в США, Паули умудрялся разжиться в дороге нелегальным алкоголем. Особенно основательно он запасся спиртным в городе Анн-Арбор, штат Мичиган, расположенном неподалеку от канадской границы. Регулярно злоупотребляя горячительными напитками в тот период, на одной домашней вечеринке он даже упал с лестницы, прокатившись через целый пролет. Он жаловался: «Недавно (признаться, будучи немного навеселе) я так неудачно свалился с лестницы, что даже сломал плечо. Теперь вот лежу в постели, жду, пока кости срастутся. Скука смертная». Сохранилась фотография с одной из лекций, где Паули выступал с недолеченной рукой – на снимке хорошо заметен механический стержень, фиксирующий сустав ученого. В целом путешествие очень понравилось Паули, хотя он и сетовал о пуританских нравах американцев и о «никудышной» пище, которой его потчевали в Калифорнийском технологическом институте. Кроме того, он с горечью отзывался о пустоте в своей личной жизни: «Ничего у меня с барышнями не клеится. Думаю, ловить мне с ними нечего, – писал он другу, сидя в номере нью-йоркского отеля, – так что, боюсь, придется с этим жить, как бы тяжело порой ни было. Мне кажется, что дальше я буду только стареть и погрязать в одиночестве. Вечное одиночество – как же это скучно».

Из Америки Паули отправился в Италию на еще одну конференцию по ядерной физике. Именно там он познакомился с Энрико Ферми – харизматичным молодым профессором из Римского университета. Ферми родился в 1901 г. в семье железнодорожного служащего и учительницы, был младшим их трех детей. Уже в детстве Энрико проявлял математические способности. У него сложились особенно близкие отношения с братом Джулио; мальчишки любили вместе мастерить самодельные электромоторы и другие игрушки. Поэтому неожиданная смерть Джулио (он умер, казалось бы, при пустяковой операции на горле) стала для Энрико тяжелым ударом. Его безутешная мать впала в глубокую меланхолию, а Энрико, которому едва исполнилось 14 лет, стал еще более замкнутым, чем ранее. Он погрузился в чтение учебников по физике, которые покупал на книжном развале. Один из коллег отца заметил склонность парня к науке и посоветовал ему поступать в Высшую нормальную школу[12]. Всего через четыре года после поступления Ферми не только окончил полный курс университета, но и написал докторскую диссертацию. Лаура Ферми в своей книге «Атомы у нас дома»[13] (Atoms in the Family) рассказывает, что защита диссертации Энрико проходила довольно напряженно: «Одиннадцать экзаменаторов в черных тогах и четырехугольных шапочках торжественно и важно заседали за длинным столом. Ферми, сам в черной тоге, стоял перед ними, спокойно и уверенно рассказывая о своей работе. Сначала экзаменаторы слушали, потом одни начали зевать, прикрывая рот рукой, другие в недоумении поднимали брови, кое-кто откинулся в кресле и вовсе перестал слушать. По-видимому, эрудиция Ферми оказалась выше их понимания. Ферми получил свою степень Magna cum laude, но ни один из экзаменаторов не пожал ему руки, не поздравил его»[14].

Получив государственную стипендию, Ферми смог отправиться в Германию и Нидерланды, чтобы поработать с великими физиками того времени. В 26 лет Ферми был приглашен в Римский университет на должность профессора, после чего быстро сплотил вокруг себя группу талантливых студентов. Многие из них впоследствии сами оставили заметный след в физике – в частности, Бруно Понтекорво и Этторе Майорана, о которых мы подробнее поговорим позже. Коллеги прозвали Ферми «Папа», поскольку он был прирожденным лидером и казался непогрешимым.

Ферми был очень заинтригован оригинальной разгадкой бета-распада, предложенной Паули. Как вспоминал сам Паули, итальянец «сразу же неподдельно заинтересовался моей идеей и очень положительно воспринял гипотезу о существовании новой элементарной частицы». Ферми, как и Паули, считал неприемлемым предложение Бора отказаться от закона сохранения энергии, поскольку это подорвало бы самые основы физики. В следующем году Джеймс Чедвик открыл в атомном ядре ранее неизвестную нейтральную элементарную частицу. Однако она имела практически такую же массу, как и протон, – то есть была слишком тяжелой по сравнению с гипотетической частицей Паули. Поскольку Чедвик назвал открытую им частицу словом «нейтрон» (именно этим термином Паули ранее именовал «свои» крошечные частицы), Ферми предложил называть частицы Паули новым словом – «нейтрино». Этот термин можно перевести с итальянского как «нейтрончик». Новое слово прижилось.

Тем временем в Цюрихе Паули продолжал безудержно пить, курить и увиваться за женщинами. Он то и дело засиживался в барах, дрался, ссорился с коллегами. У Паули случались резкие перепады настроения, к концу 1931 г. он оказался на грани нервного срыва. По совету отца Паули обратился за консультацией к прославленному психоаналитику Карлу Юнгу. Он читал работы Юнга, посещал его лекции и, наконец, договорился о встрече с этим знаменитым врачом. Вот как Юнг описывал свою первую встречу с Паули: «Когда этот убежденный рационалист [Паули] … впервые пришел ко мне на прием, он был в такой панике, что не только он, но даже я сам чувствовал, как будто в комнате витает дух сумасшедшего дома». Отношения с женщинами у Паули не складывались, поэтому он очень удивился предложению Юнга, который посоветовал гостю пройти курс психотерапии у Эрны Розенбаум – одной из молодых учениц великого психолога. Паули согласился, полагая, что «попытка не пытка». На протяжении нескольких следующих месяцев он рассказал Розенбаум сотни своих снов – на психотерапевтических сеансах и в письмах. Их общение продолжалось, даже когда Эрна переехала из Цюриха в Берлин. Позже Юнг сам занялся лечением Паули. Паули посещал сеансы Юнга на протяжении двух лет; в эти годы психолог и физик напряженно работали – Паули описывал Юнгу свои сны, порой в мельчайших подробностях, а Юнг, в свою очередь, давал развернутый анализ содержащихся в них мотивов и символов.

В 1933 г. Паули познакомился с Франциской Бертрам – образованной молодой немкой, которая уже успела объездить весь мир, а на тот момент работала антрепренером русского оркестра в Цюрихе. В следующем году Вольфганг и Франциска поженились и прожили в этом браке всю жизнь. Франциска скептически относилась к психоанализу, поэтому вскоре после свадьбы Паули прекратил консультации с Юнгом. Но переписка между двумя учеными продолжалась еще не одно десятилетие; и тот и другой интересовались не только психологией, но также и мистицизмом, и нумерологией. Юнг использовал калейдоскоп сновидений Паули в качестве материала для своих работ и лекций, тщательно скрывая личность пациента, ставшего ему другом. Вероятно, при жизни Паули многие его коллеги-физики даже не подозревали об этой примечательной дружбе. Учитывая, какие серьезные личные неурядицы Паули пережил в этот период, стоит ли удивляться, что много лет спустя он называл нейтрино «глупое дитя моего жизненного кризиса».

Ферми, вернувшись в Рим после встречи с Паули, продолжал размышлять над тайной бета-распада. Осенью 1933 г. он побывал в Брюсселе на крупной научной конференции, посвященной природе атомного ядра, и на этом мероприятии бета-распад вновь стал ключевым вопросом обсуждения. Через несколько месяцев после конференции Ферми сумел сформулировать четкое математическое описание бета-распада в контексте квантовой механики. Выстраивая свою теорию, Ферми исходил из того, что ядро атома состоит из тяжелых элементарных частиц – протонов и нейтронов, о чем ранее писал Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой механики. По мысли Ферми, при бета-распаде нейтрон превращается в протон, но остается в ядре, тогда как из атома вылетает один электрон и один нейтрино – об этом догадывался Паули. Ферми четко указал, что нейтрино не присутствует в ядре изначально, а возникает в момент бета-распада. Он сравнил результаты своих теоретических вычислений с экспериментальными данными и пришел к выводу, что «масса нейтрино либо равна нулю, либо исключительно мала по сравнению с массой электрона».

Более того, теория Ферми предвосхитила открытие новой фундаментальной силы природы, которую мы сегодня называем «слабое взаимодействие»; эта сила действует только в субатомном мире. Два из четырех известных фундаментальных взаимодействий – гравитация и электромагнетизм – действуют на сравнительно больших расстояниях, поэтому знакомы нам из повседневного опыта. Например, мы ощущаем гравитацию (притяжение Земли), когда поднимаем что-нибудь тяжелое, а магнетизм – когда чувствуем притяжение магнита на дверце холодильника. Два других взаимодействия – сильное и слабое – действуют лишь на крохотных расстояниях внутри атома. Сильное взаимодействие связывает протоны и нейтроны, удерживая их в атомном ядре. Слабое взаимодействие влияет на различные процессы, связанные с радиоактивностью, – в частности, бета-распад.

Ферми отправил свою статью о теории бета-распада в журнал Nature в 1934 г. Правда, редколлегию журнала работа не впечатлила; это незаурядное сочинение было отклонено с формулировкой «содержит слишком отвлеченные нереалистичные рассуждения, которые вряд ли заинтересуют читателя». Но Ферми не сдавался и послал статью в еще два научных журнала. Один из этих журналов был итальянским; дело в том, что фашистское правительство Муссолини требовало активнее публиковать научные работы на итальянском языке. Второй журнал был немецким; Ферми рассчитывал, что на его страницах со статьей смогут ознакомиться ученые из других стран. Оба журнала опубликовали работу Ферми. Статья подтвердила репутацию Ферми как великого теоретика, способного масштабно мыслить, и по сей день считается классикой физической науки. Кристина Саттон в своей книге «Космический корабль нейтрино» (Spaceship Neutrino) красноречиво выразилась об этой статье следующим образом: «Если письмо Паули, адресованное “радиоактивным дамам и господам”, можно сравнить с зачатием нейтрино, то статья Ферми возвестила о рождении новой частицы». Однако сохранялась ключевая проблема: никто понятия не имел, как обнаружить эту неуловимую малышку.

Позже Ферми переключился на эксперименты, связанные с искусственной радиоактивностью[15], стремясь лучше понять феномен трансформации ядер. К тому времени Ирен Жолио-Кюри, дочь Марии Кюри, вместе со своим мужем Фредериком Жолио продемонстрировала, что при бомбардировке некоторых ядер альфа-частицами возникают новые радиоактивные изотопы, которые впоследствии распадаются. Хотя Ирен и Фредерик не представляли, как превратить свинец в золото (да и не ставили перед собой такой цели), можно сказать, что в какой-то степени эти ученые воплотили мечты древних алхимиков, желавших превращать обычные металлы в редкие и ценные.

В то время как супруги Жолио-Кюри использовали в качестве «снарядов» альфа-частицы, Ферми попробовал в этом качестве нейтроны. Он установил, что сравнительно медленные нейтроны особенно эффективны при синтезе радиоактивных продуктов. По легенде Ферми догадался использовать нейтроны, так как заметил, что в экспериментах достигается гораздо более высокая радиоактивность, если лабораторные препараты стоят на деревянной столешнице, а не на мраморной. Коллеги Ферми были озадачены подобной разницей, однако сам Энрико понял, что атомы дерева просто замедляют нейтроны. Другие ученые, основываясь на этой находке Ферми, пробовали бомбардировать уран медленными нейтронами. В 1938 г. немецким физикам удалось расщепить ядро урана примерно пополам, сделав первый шаг к высвобождению колоссальной энергии, заключенной в атомном ядре.

В том же году Ферми получил Нобелевскую премию по физике за свои исследования медленных нейтронов. Отправляясь в Стокгольм на церемонию вручения награды, Ферми смог вывезти из Италии жену-еврейку и двоих детей, поскольку там уже разгорался антисемитизм. Позже вся семья перебралась в США. Проработав несколько лет в Колумбийском университете в Нью-Йорке, Ферми перешел на работу в университет Чикаго. В 1942 г. именно там, в реакторе под университетским стадионом, произошло историческое событие: группа физиков под руководством Ферми впервые осуществила управляемую цепную реакцию, совершив важный шаг к приручению атомной энергии. Один из коллег Ферми позвонил в Вашингтон и сообщил об этом успехе Джеймсу Конанту, руководителю Национального комитета оборонных исследований. Он выразился завуалированно: «Вам будет наверняка интересно узнать, что наш итальянский штурман только что привел нас в новый мир». Конант ответил: «Как нас встретили аборигены?» Ответ был: «Очень тепло». Работа Ферми в Чикаго заложила основы для создания атомных бомб, ядерных реакторов и, наконец, для экспериментального открытия нейтрино.

Тем временем европейские физики не забыли великолепную статью Ферми о бета-распаде, пусть многие из них в тот период и работали над другими проблемами. На самом деле эта статья стимулировала как теоретиков, так и практиков размышлять о том, как отловить призрачные нейтрино. Два немецких физика – Ханс Бете и Рудольф Пайерлс – придумали интересный вариант достижения этой цели. Поскольку нейтрино выделяются при бета-распаде, нельзя ли поймать их в ходе обратного процесса – по аналогии с фотонами, которые способны как порождаться, так и поглощаться атомами? Бете и Пайерлс установили, что вероятность поглощения нейтрино атомом просто ничтожна. Теоретики составили краткую заметку в журнал Nature, где отмечали, что наблюдать нейтрино «практически невозможно».

Однако их безрадостные вычисления не смутили отважных охотников за нейтрино. В Кембриджском университете Джеймс Чедвик и Дэвид Ли попытались измерить проникающую способность нейтрино, устанавливая свинцовые пластины различной толщины между образцом радия и детектором. Исследователи полагали, что свинец должен замедлять нейтрино, в результате чего эти неуловимые частицы будет проще заметить. Правда, опыты показали, что нейтрино может пролететь по воздуху более 140 км, не задев ни одного атома. В следующем году британский физик Морис Намиас поставил еще более тонкий эксперимент, надеясь поймать нейтрино. Он установил свой прибор на станции Holborn в лондонском метро (примерно 30 м под землей), чтобы ослабить нежелательное фоновое излучение от высокоэнергетических частиц, прилетающих из космоса. Но ему также не удалось поймать нейтрино. Согласно измерениям Намиаса образующиеся при бета-распаде нейтрино вполне могут проскочить насквозь через весь земной шар. Более того, эксперимент Намиаса в метро стал лишь предвестником разработок ближайшего будущего. Сегодня нейтринные детекторы развертывают именно под землей, чтобы минимизировать помехи, вызываемые фоновым излучением, такая практика в физике частиц стала общепринятой.

Нейтрино все более напоминали какой-то полтергейст, казались таинственными фантомами, крадущими энергию при бета-распаде, но более никак себя не проявляющими. Поскольку нейтрино, в отличие от протона или электрона, не имеют электрического заряда, их нельзя отследить при помощи электромагнитных устройств. Они также не участвуют в сильном взаимодействии, а вероятность того, что нейтрино вступит в контакт с ядром атома (поучаствует в слабом взаимодействии), крайне мала.

В результате таких безрадостных теоретических оценок и провала различных экспериментов все громче звучали голоса скептиков, полагавших, что нейтрино вряд ли вообще будут когда-нибудь обнаружены. Среди этих скептиков был и нобелевский лауреат Поль Дирак, предсказавший существование антивещества (антиматерии) – об этом мы поговорим в главе 7. Поначалу Дирак очень заинтересовался нейтрино, а в 1934 г. даже разрекламировал теорию Ферми в письме одному из коллег. Среди прочего он отмечал: «Вероятно, лишь с помощью нейтрино можно объяснить наблюдаемые потери энергии, и до выяснения каких-либо новых обстоятельств отвергать эти частицы не следует». Всего через два года Дирак значительно изменил свое мнение, отказываясь обсуждать нейтрино и называя их «ненаблюдаемыми частицами».

К концу 1930-х и другие ученые разделяли сомнения Дирака относительно нейтринной гипотезы Паули. Британский астроном Артур Эддингтон – знаменитый популяризатор науки, а также автор эксперимента, подтвердившего на практике теорию относительности, – хорошо передал этот скепсис, когда в своей книге «Философия физической науки» (The Philosophy of Physical Science) писал следующее: «В настоящее время физики-ядерщики много пишут о гипотетических частицах, называемых “нейтрино”, стремясь таким образом объяснить некоторые неясные факты, наблюдаемые при бета-распаде… Я не слишком высокого мнения о теории нейтрино. Можно сказать, я просто не верю в существование этих частиц… Осмелюсь утверждать, что у физиков-экспериментаторов наверняка хватило бы изобретательности, чтобы получить эти нейтрино». Правда, он не исключал возможности существования нейтрино, добавляя: «Что бы я ни думал, не хочу устраивать никаких пари о мастерстве экспериментаторов, тем более что такое пари можно было бы трактовать как спор об истинности самой теории. Если кому-нибудь удастся получить нейтрино и, более того, найти для них практическое применение, то, полагаю, мне придется поверить в эти частицы – хотя читатель и может упрекнуть меня в лукавстве».

По иронии судьбы именно Паули поспорил на бутылку шампанского, что никому не удастся экспериментально обнаружить нейтрино. Возможно, он сомневался в реальности той частицы-полтергейста, которую сам же и придумал. Может быть, он думал, что скепсис относительно собственного умственного конструкта – хороший способ защититься от критики. Как бы то ни было, шампанское Паули оставалось невостребованным в течение ближайшей четверти века, когда все физические исследования в Европе и Северной Америке были продиктованы Второй мировой войной и ее последствиями. Военные разработки, связанные с укрощением энергии атомного ядра, привели к созданию не только самого смертоносного оружия в истории человечества, но и новых источников бесчисленных нейтрино.

Глава 3

Погоня за призраком

Следующая глава саги о нейтрино была непосредственно связана с покорением энергии атома во время Второй мировой войны и в последующие годы. Еще в 1938 г. два немецких химика, Отто Ган и Фриц Штрассман, обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами образуется гораздо более легкий элемент – барий. Их бывшая коллега Лиза Мейтнер и ее племянник Отто Фриш к тому времени уже эмигрировали в Скандинавию, так как в Германии нацисты преследовали ученых еврейского происхождения. Мейтнер и Фриш пришли к верному выводу, что такое превращение происходит в результате расщепления тяжелого ядра урана. Этот процесс они назвали «делением» ядра, по аналогии с биологическим термином «деление клетки». В статье, опубликованной в журнале Nature, они писали: «Представляется вероятным, что ядро урана является очень нестабильным и после захвата нейтрона может разделиться на два ядра примерно равного размера». Еще до того, как статья появилась в печати, Нильс Бор уже сообщил об этом открытии американским коллегам. Энрико Ферми и другие решили сами поэкспериментировать с делением урана. На горизонте замаячил призрак атомной бомбы.

Вскоре ряд видных ученых стал предупреждать страны антигитлеровской коалиции о том, насколько опасной станет нацистская Германия, если обретет ядерное оружие. Исследования были продиктованы страхом: ведь та из сторон, которая смогла бы первой высвободить энергию атомного ядра, получила бы подавляющее преимущество над другой державой. По настоянию нескольких коллег Альберт Эйнштейн написал президенту Франклину Рузвельту знаменитое письмо, в котором указывал: «…стала вероятной возможность ядерной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть освобождена значительная энергия и получены большие количества радиоактивных элементов. Можно считать почти достоверным, что это будет достигнуто в ближайшем будущем. Это новое явление способно привести также к созданию бомб…» Он убеждал президента в необходимости наладить поставки урановой руды, указывая, что Германия уже предпринимает подобные шаги, а также активизировать контакты с физиками-ядерщиками, чтобы быть в курсе новейших исследований и их результатов.

Бруно Понтекорво

(AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection)

В 1943 г. правительство США при поддержке Канады и Великобритании запустило сверхсекретную программу «Манхэттенский проект». К этому проекту были привлечены многие ведущие физики-теоретики и инженеры-экспериментаторы; цель исследований заключалась в получении управляемых цепных ядерных реакций и в конструировании атомных бомб. Однако Вольфганг Паули, который в тот период вместе с Эйнштейном работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, не был приглашен к участию в проекте, поскольку официально являлся гражданином Германии. В 1938 г. Германия аннексировала Австрию, а Паули не позаботился о том, чтобы приобрести гражданство Швейцарии. В штате Нью-Мексико была создана новая секретная лаборатория Лос-Аламос, где физики занимались проектированием, сборкой и испытаниями нового оружия. Другие исследовательские группы в разных уголках США наладили обогащение урана и производство плутония – топлива для атомных бомб. Сначала проект был довольно скромным, но к концу работ к нему подключилось более 100 000 человек. Ученые из Лос-Аламоса взорвали первый ядерный заряд, носивший кодовое название «The gadget»[16], на 30-метровой вышке в пустыне на территории штата Нью-Мексико 16 июля 1945 г. Ученые, наблюдавшие за испытанием, лицезрели поднявшееся до небес пылающее облако, напоминавшее по форме гриб, ощутили рокот ударной волны, прокатившейся над командным центром. Они осознали, насколько разрушительное оружие создали, и некоторые даже раскаялись в том, что принимали участие в разработке атомной бомбы. Через считаные недели ВВС США сбросили две атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки. Атомные взрывы вызвали массовые жертвы и чудовищные разрушения, а также приблизили окончание войны[17]. В дальнейшем США и другие державы провели множество ядерных испытаний, сконструировав еще более мощные бомбы.

Атомные бомбы оказались не только невероятно разрушительным оружием, но и потрясающим источником нейтрино. Атомные взрывы сопровождаются бурным делением ядер и образованием множества нестабильных изотопов, которые распадаются, испуская целые фонтаны этих частиц. При таком количестве нейтрино задача их экспериментального обнаружения упрощается; чем больше поток нейтрино – тем выше шансы, что какие-то из них попадут в детектор. Но когда ведущие физики по обе стороны Атлантики напряженно занимались военными разработками, мало кто из них вообще задумывался о проблеме нейтрино – в том числе Энрико Ферми, относившийся к наиболее активным участникам Манхэттенского проекта. Однако один из итальянских учеников Ферми, Бруно Понтекорво, не участвовал непосредственно в оборонных исследованиях. Именно он смог найти ответы на важнейшие вопросы, связанные с природой неуловимых нейтрино, догадался, как захватывать эти частицы, и сам ускользнул незаметно, как нейтрино.

Бруно Понтекорво родился в зажиточной еврейской семье близ Пизы, недалеко от той самой площади, где Галилей еще в XVI в. ставил свои легендарные опыты с падающими телами.

Семья Понтекорво владела текстильной фабрикой, на которой трудилось множество рабочих. Его родители могли позволить себе шикарный летний отдых, а также дали домашнее образование своим детям, приглашая лучших учителей. Будучи подростком, Понтекорво превосходно играл в теннис, а в школе блистал на естественно-научных предметах. Окончив среднюю школу, поступил на инженерный факультет Пизанского университета, но уже через два года перебрался в Римский университет. Там он собирался изучать физику под руководством Энрико Ферми, который уже снискал мировую славу одного из ведущих ученых.

В тот период Италия переживала непростые времена, в стране процветала фашистская идеология. Однако Понтекорво не интересовался политикой, несмотря даже на то, что некоторые его родственники были пацифистами и леваками. Правительство Муссолини всячески поддерживало научные исследования; фашисты усматривали в этом залог индустриального развития страны. Крупные компании привлекались к инвестициям в инновационные проекты, в Италии был создан национальный научно-исследовательский совет, государственное финансирование фундаментальных исследований значительно выросло. Ферми умел пользоваться таким патронажем и прилагал всяческие усилия, чтобы не допускать политику в свою лабораторию, но в то же время не раздражать государственных чиновников. Правда, впоследствии Ферми отмежевался от фашистского режима.

Понтекорво с отличием окончил университет и присоединился к исследовательской группе Ферми. Сначала он довольно неуклюже обращался с лабораторным оборудованием, но быстро освоил искусство научного эксперимента. В 1934 г. Понтекорво сыграл ключевую роль в одном из исследований: вместе с коллегами он открыл, что при бомбардировке атомов медленными нейтронами скорость химических реакций возрастает. Понтекорво был не только соавтором научной статьи о данном исследовании, но и совладельцем патента, описывавшего возможности коммерческого применения этого феномена. Через два года Понтекорво отправился в Париж, чтобы работать вместе с Ирен Жолио-Кюри (дочерью Пьера и Марии Кюри) и ее мужем Фредериком. Супруги Жолио-Кюри проводили эксперименты, изучая превращения атомного ядра.

В те годы в Париже бурно цвели левацкие движения, город был излюбленным убежищем для политических эмигрантов со всей Европы, спасавшихся от тоталитарных режимов. Поэтому неудивительно, что Понтекорво всерьез заинтересовался социалистическими идеями и завел немало знакомств среди активных участников левых политических движений – в частности, через своего брата Джилло, переехавшего в Париж вслед за Бруно. Джилло был убежденным марксистом и членом Итальянской коммунистической партии. Кстати, спустя тридцать лет Джилло снял культовый антиколониальный фильм «Битва за Алжир». Возможно, в ходе бесед с братом и друзьями Бруно Понтекорво задумывался о том, в чем заключается политический и гражданский долг ученого. Живя в Париже, Понтекорво повстречал Марианну Нордблом – студентку из Швеции, изучавшую французскую литературу. Молодые люди познакомились в общежитии, но вскоре решили съехаться и жить вместе. Через некоторое время у них родился сын.

В 1940 г. Бруно и Марианна поженились. Учитывая, что на родине Понтекорво бушевал антисемитизм, а нацисты вторглись во Францию, супруги были вынуждены бежать в США – как и Ферми, уехавший туда двумя годами ранее. Понтекорво устроился на работу в нефтяную компанию в штате Оклахома. Здесь он сумел применить свой опыт из области ядерной физики при разработке новых технологий для разведки нефти. Несмотря на переезд в США и близкое знакомство с Ферми, Понтекорво не был приглашен к участию в Манхэттенском проекте; вероятно, спецслужбы не доверяли Бруно из-за его социалистических убеждений. Но Понтекорво присоединился к британско-канадскому проекту, связанному с постройкой ядерного реактора на реке Чок-Ривер в канадской провинции Онтарио. Семья Понтекорво переехала в Канаду в 1943 г.

Именно в Канаде Понтекорво заинтересовался нейтрино. Разумеется, он был знаком с теорией своего учителя Ферми о бета-распаде. Согласно этой теории при бета-распаде атом испускает электрон и нейтрино, а один из его нейтронов превращается в протон. Однако, несмотря на царившее тогда убеждение о неуловимости нейтрино, Понтекорво был твердо уверен, что зафиксировать эту частицу все-таки можно, главное – правильно поставить эксперимент. Вероятность фиксации отдельного нейтрино в детекторе очень мала, но Понтекорво полагал, что если бы каждую секунду через детектор пролетали триллионы этих частиц, то хотя бы несколько из них удалось бы поймать. Для проведения такого эксперимента первым делом требовалось отыскать обильный источник нейтрино. Понтекорво знал, что даже очень большой образец радия не дал бы заметного потока нейтрино, образующихся при бета-распаде. Но ядерный реактор, рассуждал Понтекорво, действительно должен ежесекундно извергать триллионы таких частиц. Спустя почти сорок лет он вспоминал: «Как мне казалось [в 1946 г.], после создания мощных ядерных реакторов обнаружить свободные нейтрино станет вполне возможно». Учитывая, как хорошо Понтекорво разбирался в получении ядерной энергии, в этом замечании нет ничего удивительного. Но ученый пошел дальше: он описал, как поймать эти призрачные частицы.

Понтекорво знал, что, согласно теории Ферми, при попадании нейтрино в ядро атома должны произойти два явления. Во-первых, нейтрино подхватывает отрицательный заряд и превращается в электрон. Во-вторых, для сохранения электрического равновесия ядро приобретает положительный заряд. Иными словами, если по атому попадает нейтрино, то этот атом превращается в атом другого элемента, занимающего следующую клетку в таблице Менделеева, так как один из нейтронов в ядре этого атома превращается в протон. Понтекорво догадался, что если этот новый атом окажется радиоактивен, то о его наличии можно будет судить по радиации, которой сопровождается бета-распад. Так Понтекорво разработал практические требования для постановки такого эксперимента. Во-первых, предстояло найти вещество, которое будет обстреливаться нейтрино. Предполагалось, что это вещество будет дешевым и легкодоступным, так как для создания достаточно крупного нейтринного детектора его понадобилось бы довольно много. Во-вторых, веществу-мишени нужно было становиться радиоактивным при поглощении нейтрино. В-третьих, полученный таким образом радиоактивный продукт не должен был распадаться слишком быстро – то есть необходим запас времени на измерения. Учитывая все эти соображения, Понтекорво решил использовать большой резервуар с жидким безводным моющим средством (тетрахлоридом углерода), в котором содержится большое количество атомов хлора. Ученый знал, что, согласно теории Ферми, при столкновении нейтрино с атомом хлора последний должен превратиться в радиоактивный изотоп аргона – химически инертного благородного газа. Последующий распад атома аргона будет означать, что в породивший его атом хлора попал нейтрино. Так Понтекорво изобрел хитроумный способ, позволяющий изловить частицу-полтергейст.

Но Понтекорво было не суждено самому заняться охотой на нейтрино. Он подал документы на получение британского гражданства и в 1948 г. отправился в Англию вместе с женой и тремя сыновьями. Это был его четвертый переезд за 12 лет. Понтекорво успел около двух лет проработать в лаборатории по атомным исследованиям в городе Харвелл близ Оксфорда, после чего ему пришлось переключиться на решение неотложных проблем, не оставлявших никакого времени на разгадывание тайны неуловимых нейтрино. Поскольку Понтекорво не скрывал своих коммунистических убеждений, за ним все пристальнее следили и ФБР, и британская спецслужба МI5. Понтекорво вынуждали прекратить исследовательскую работу в Харвелле и перейти к академической деятельности, поскольку он мог получить доступ к информации о секретных военных разработках.

Понтекорво отлично понимал, что в мире нарастала международная напряженность, вызванная начинающейся холодной войной. В 1949 г. СССР осуществил успешное испытание атомной бомбы. Многие западные специалисты не представляли, что советское государство обладает такими технологиями; более того, это был открытый вызов ядерному доминированию США. В ответ президент Гарри Трумэн санкционировал разработку еще более мощных водородных бомб. В водородной бомбе используется принцип ядерного синтеза, в ходе которого изотопы водорода превращаются в атомы гелия. Правда, в качестве инициирующего заряда в водородной бомбе задействована реакция деления ядра. Неудивительно, что в Вашингтоне всерьез опасались нарастающего советского влияния, а также советских шпионов. В таких условиях сенатор Джозеф Маккарти возглавил печально известную «охоту на ведьм» – репрессии обрушились на всех, кого только было можно заподозрить в нелояльности.

В харвеллской лаборатории вместе с Понтекорво работал Клаус Фукс, один из бывших участников Манхэттенского проекта. Фукс признался в шпионаже в пользу СССР и был приговорен к длительному тюремному заключению. ФБР проверяло и других сотрудников лаборатории Лос-Аламос, в частности, физика Ричарда Фейнмана, который был известен не только блестящим интеллектом, но и склонностью к экстравагантным выходкам. Например, Фейнман просто ради спортивного интереса взламывал сейфы коллег. Фейнман был признан невиновным, однако агентам ФБР удалось раскрыть химика Гарри Голда, работавшего курьером Фукса. Голд, в свою очередь, вывел следователей на Этель и Юлиуса Розенбергов. Розенберги были арестованы по подозрению в шпионаже вместе с Дэвидом Гринглассом – младшим братом Этель, который ранее работал в Лос-Аламосе писарем-машинистом. Признательные показания шпионов и последовавшие аресты нагнетали всепроникающую атмосферу недоверия и паранойю.

Треволнения Бруно усугублялись и по причине нешуточных баталий между правительством США и бывшими итальянскими коллегами Понтекорво из-за патента, связанного с использованием медленных нейтронов (полученного учениками Ферми по результатам исследований, проводившихся еще в Риме). Итальянские ученые претендовали на долю прибыли от получения плутония, поскольку выработка этого металла осуществлялась при помощи замедления нейтронов графитом. В 1950 г. один из физиков-итальянцев подал иск, требуя денежной компенсации от американского правительства. Перспектива оказаться в центре публичного судебного процесса, а также подвергнуться неизбежным в таком случае проверкам благонадежности, вероятно, стала для Понтекорво последней каплей.

Когда новости о разгорающемся судебном процессе достигли Европы, Понтекорво как раз проводил летний отпуск в Италии вместе с женой и детьми. Когда отпуск закончился, он решил не возвращаться в Великобританию, где занимал должность профессора в Ливерпульском университете. Первого сентября семья отправилась из Рима в Стокгольм. Любопытно, что, хотя в Стокгольме и жили родители жены Понтекорво, беглецы не сообщили им о приезде, а уже на следующий день отправились самолетом в Хельсинки. На этом этапе записи об их пути обрываются. Не сохранилось никаких сведений о том, что Понтекорво делали в Хельсинки и пересекали ли они финскую границу.

Первой о внезапном и таинственном исчезновении физика и его семьи сообщила итальянская газета – вероятно, журналисты получили эту конфиденциальную информацию от британских сыщиков, уже рыскавших в Риме. С самого начала службы безопасности подозревали, что Понтекорво вместе с семьей бежал в Советский Союз. Действительно, среди родственников и друзей Понтекорво было немало людей с левыми взглядами, а некоторые из них откровенно симпатизировали коммунистам. Газеты смогли сделать максимальный акцент на царившей в те времена подозрительности, и практически за одну ночь скромный ученый, до этого практически не известный широкой публике, превратился в героя шпионского скандала. На передовице лондонской газеты Daily Express красовался заголовок «Атомщик улетел», а The Manchester Guardian возвещала «Пропал атомщик-эксперт». Даже Би-би-си предположила, что Понтекорво ускользнул за «железный занавес», сообщая: «Британская разведка МI5 пустилась в погоню за пропавшим ученым-атомщиком Бруно Понтекорво, о котором нет никаких вестей уже на протяжении полутора месяцев». СМИ по всему миру предполагали самые невероятные мотивы для такого бегства. Газета The Sydney Morning Herald даже цитировала одного из физиков, который лично знал Понтекорво и утверждал: «Он является одним из самых видных специалистов по ядерной физике и, несомненно, одним из лучших атомщиков в Великобритании. Несомненно, ученый такого уровня был бы просто находкой для русских». Как предполагали многие СМИ, Понтекорво с семьей покинули Финляндию на поезде либо отплыли на корабле с одной из советских военных баз, расположенных близ Хельсинки. Стоит ли говорить, что сумятица, связанная с исчезновением Понтекорво, лишь подлила масла в огонь холодной войны.

Многие опасались, что Понтекорво вообще с самого начала был советским шпионом. Другие предполагали, что ученый бежал, так как спецслужбы висели у него на хвосте, либо что он просто не выдержал антикоммунистической истерии, бушевавшей на Западе. Наконец, третьи думали, что советские агенты каким-то образом принудили Понтекорво переметнуться на сторону СССР. Как бы то ни было, исчезновение Понтекорво оказалось экстраординарным событием, причем как американские, так и британские разведывательные органы в своих официальных заявлениях старались преуменьшить значение этого бегства. Вероятно, спецслужбы были раздосадованы неприкрытой изменой знаменитого физика, особенно в свете недавних шпионских признаний Фукса. Власти не хотели подогревать всеобщую истерию. Историк науки Симон Турчетти пишет в своей книге «Дело Понтекорво» (The Pontecorvo Affair), что британский министр снабжения Джордж Стросс даже присягнул перед парламентом в том, что Понтекорво не участвовал в засекреченных военных разработках. Более того, Министерство иностранных дел пыталось урезонить британских дипломатов во всем мире, разослав им специальную конфиденциальную телеграмму, где, в частности, говорилось: «Доктор Понтекорво занимался в Харвелле работой несекретного характера, и, хотя он и может быть полезен русским в области каких-либо фундаментальных исследований, это не означает, что он обладает какими-либо ценными сведениями касательно атомного оружия».

Понтекорво подтвердил всеобщие подозрения, объявившись в Москве пять лет спустя. Он по-своему объяснил бегство: по его словам, он стремился укрепить научный потенциал СССР в условиях доминирования Запада и тем самым помочь предотвратить третью мировую войну. Понтекорво всячески подчеркивал, что его интересует применение атомной энергии исключительно в мирных целях. В СССР его приняли очень тепло и предложили работу в научно-исследовательском институте неподалеку от Москвы[18], где велись исследования в области ядерной физики. Понтекорво получил Сталинскую премию и другие почести.

Фредерик Рейнес

(AIP Emilio Segrè Visual Archives)

Спустя много лет Понтекорво признался, что советское посольство помогло ему вместе с семьей тайно выехать из Хельсинки. Он пересек границу СССР в багажнике дипломатической машины[19], в салоне которой ехала его семья. Доподлинно не известно, принимал ли Понтекорво какое-то участие в создании советского ядерного оружия – как шпион (до побега в СССР) или как опытный ученый (после побега). Даже сегодня, спустя 60 лет, материалы ФБР и MI5 по этому делу остаются засекреченными. Симон Турчетти полагает, что Понтекорво не был шпионом, однако считает, что знания Бруно в области геофизической разведки могли помочь русским найти месторождения урана, требовавшиеся для производства атомных бомб. Какой бы работой Понтекорво ни занимался, живя по советскую сторону «железного занавеса», он всегда очень интересовался нейтрино и первым предположил, что эта частица-хамелеон может менять свойства, о чем мы вскоре поговорим.

Тем временем в США многие физики, в годы войны участвовавшие в Манхэттенском проекте, вернулись в университеты. Среди тех, кто в начале 1950-х еще оставался в Лос-Аламосе, был и 33-летний физик-теоретик по имени Фред Рейнес. Юность Рейнеса протекала в штатах Нью-Джерси и Нью-Йорк, далеко от больших городов. В детстве Фред неплохо пел и состоял в скаутском движении. Позже он вспоминал, что впервые заинтересовался естествознанием, когда однажды под вечер, заскучав на уроке в религиозной школе, стал смотреть на закат через щель между пальцами, залюбовавшись дифракцией света. Кроме того, Рейнес с увлечением мастерил детекторные приемники – простейшие модели радиоприемников, популярные на заре радиотехники, собирая эти приборы с нуля. Однажды Фред написал в ежегодном школьном альманахе, что мечтает стать «выдающимся физиком». В годы учебы на инженерном факультете Стивенсовского технологического института Рейнес пел в хоре и даже солировал в больших вокальных пьесах, например, в «Мессии» Генделя. Сам ученый впоследствии вспоминал, что «между колледжем и университетом я даже какое-то время подумывал о профессиональной вокальной карьере». Еще до того, как Рейнес защитил докторскую диссертацию в Нью-Йоркском университете (в 1944 г.), молодой физик был приглашен на работу в Лос-Аламос. Там Рейнес уже после войны участвовал в испытаниях атомных бомб – в частности, в подготовке широко известных взрывов, осуществленных на атоллах Эниветок и Бикини. Рейнес, будучи физиком-теоретиком, занимался уточнением теоретической базы, описывающей эффекты ядерных взрывов. Среди прочего его интересовало, как ударная волна распространяется в воздухе. В свободное время Рейнес по-прежнему увлекался музыкой (пел в городском хоре), посещал местный драмкружок, а позже даже подвизался хористом в составе Кливлендского симфонического оркестра.

В 1951 г. Рейнес сообщил своему руководителю в Лос-Аламосе, что хотел бы оставить экспериментальные исследования и сосредоточиться на фундаментальной физике. Позже, размышляя об этом поворотном моменте в своей жизни, Рейнес писал, что, когда его вопрос был решен положительно, ему пришлось «переехать в практически пустой кабинет, просидеть там несколько месяцев, уставившись в пустую тетрадь, и напряженно подыскивать столь значительную научную проблему, изучению которой можно было бы посвятить жизнь». Перебирая в уме интересные проекты, Рейнес предположил, что при атомном взрыве должны образовываться целые тучи нейтрино. Соответственно, обнаружить эти таинственные частицы при атомном взрыве будет сравнительно просто.

Рейнес знал, что при делении атомов в ходе цепной реакции возникает множество нестабильных ядер, которые, в свою очередь, подвергаются бета-распаду и испускают нейтрино. В среднем при каждом акте деления ядра должны возникать шесть нейтрино – то есть при атомном взрыве их будет действительно очень много. Как писал сам Рейнес, «сделав кое-какие вычисления и поколдовав над формулами, я пришел к выводу, что бомба является идеальным источником… но я полагал, что эту гипотезу необходимо проверить экспериментально».

Как нельзя кстати летом 1951 г. в Лос-Аламос прибыл с визитом Энрико Ферми, и Рейнес, набравшись духу, решился с ним поговорить. Ферми согласился, что атомная бомба – это действительно потрясающий источник нейтрино. Но вся загвоздка в том, что сам Рейнес не представлял, как сконструировать подходящий детектор для регистрации нейтрино при ядерных испытаниях. Поразмыслив над этой проблемой, Ферми признал, что и сам не видит такой возможности. «От Учителя я возвращался опустошенным», – вспоминал Рейнес. Его мечты об охоте на нейтрино пришлось отложить до лучших времен, а сначала придумать, как двигаться дальше.

Как говорится, не было бы счастья, да несчастье помогло. Позже, в 1951 г. Рейнес летел на самолете в Принстон, когда самолет пошел на вынужденную посадку в аэропорту Канзас-Сити из-за нехватки топлива. Вместе с Рейнесом летел Клайд Коуэн, его коллега по Лос-Аламосу. В годы войны Коуэн занимался разработкой радаров, за что был награжден медалью «Бронзовая Звезда». Затем на пособие для ветеранов войны Коуэн поступил в аспирантуру и защитил докторскую диссертацию, а в 1949 г. поступил на работу в Лос-Аламос. Итак, поневоле оказавшись в Канзасском аэропорту, двое ученых, пытаясь как-то скоротать время, бродили по зданию и беседовали. В итоге они решили совместными силами взяться за решение какой-нибудь физической проблемы, которая им обоим казалась бы нетривиальной. Рейнес предложил заняться нейтрино, Коуэн согласился. «Он знал о нейтрино не больше меня, но зато был хорошим и в меру авантюрным экспериментатором. Итак, мы ударили по рукам и решили заняться нейтрино», – рассказывает Рейнес. Далее он добавляет: «Итак, почему же мы так хотели зарегистрировать свободный нейтрино? Потому что нас все убеждали, что это невозможно. Не самое здравое решение, но сам вызов казался притягательным». Оба ученых уже имели опыт участия в грандиозных военных проектах, который, пожалуй, мог подогревать их интерес к этой отчаянной затее. «Работа над испытанием атомной бомбы научила нас мыслить масштабно, в духе “мы сможем”… [Она] всецело занимала наши мысли. Всякий раз, планируя новый проект, мы ставили перед собой самую интересную и фундаментальную цель, не особенно задумываясь о ее достижимости или практическом применении. В Лос-Аламосе мы могли рассчитывать на доступ к новейшим исследовательским технологиям… и этот факт только придавал нам уверенности».

Рейнес и Коуэн знали, что большинство нейтрино совершенно свободно пролетают сквозь вещество. Но если таких частиц будет очень много, то хотя бы некоторые из них должны сталкиваться с атомными ядрами. Учитывая это, ученые решили заняться исследованием конкретной ядерной реакции. По теории Ферми, когда протон поглощает нейтрино, он превращается в нейтрон и испускает антиэлектрон (также называемый «позитрон»)[20]. Рейнес и Коуэн знали, что при обнаружении позитрона можно будет констатировать, что в реакции участвовал нейтрино. Итак, им требовалось найти способ регистрации позитронов. К счастью, незадолго до того были открыты органические жидкости, которые сцинтиллируют (дают крошечные вспышки), когда через них проходит заряженная частица. Итак, Рейнес и Коуэн решили заполнить большой резервуар сцинтиллирующей жидкостью и оснастить его несколькими фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), которые планировалось установить на внутренних стенках сосуда. ФЭУ должны были фиксировать позитронные вспышки. Такой детектор предполагалось подвесить у устья вертикальной скважины, пробуренной в земле, всего в 40 м от вышки, на которой планировалось взорвать 20-килотонный атомный заряд. Впоследствии в своей нобелевской лекции Рейнес скажет: «Идея о том, что столь чувствительный детектор можно будет использовать в непосредственной близости… от чудовищного рукотворного взрыва, казалась довольно странной, но мы умели работать с бомбами и не сомневались, что сможем сконструировать подходящую систему».

Проект предполагал, что детектор Рейнеса и Коуэна в течение нескольких секунд сможет свободно падать в вакууме, образующемся во время распространения ударной волны. Затем сосуд мягко приземлится (у основания он снабжался толстой подушкой из поролона и пуха), а датчики зарегистрируют позитроны, излучаемые продуктами ядерного взрыва, когда в небо будет подниматься огненный гриб. Позже Коуэн составил отчет, в котором изложил их план по сбору данных после экспериментального взрыва: «Мы вернемся к шахте через несколько дней (когда поверхностная радиоактивность существенно спадет), выкопаем резервуар, достанем детектор и узнаем всю правду о нейтрино». Конечно, сегодня такая схема может показаться странной, но конструкция действительно была многообещающей, и директор лаборатории Лос-Аламос дал добро на это испытание. По воспоминаниям Рейнеса, в те годы процесс утверждения таких испытаний был незамысловат. «Жизнь тогда была проще – никаких длительных процедур рассмотрения и заумных экспертных комитетов».

Когда Рейнес и Коуэн нашли место для испытания, поручили рабочим готовить скважину и приступили к сборке детектора, их коллега Ханс Бете поинтересовался, каким образом молодые люди собираются отличать подлинные нейтрино от прочего излучения, образующегося при атомном взрыве. В поисках ответа на этот вопрос Рейнес и Коуэн смогли придумать еще более замечательный эксперимент: они решили воспользоваться в качестве источника нейтрино не атомной бомбой, а управляемым ядерным реактором. Конечно, реактор выдает за секунду гораздо меньше нейтрино, чем атомный взрыв, но количество этих частиц все равно исчисляется триллионами на квадратный сантиметр. Физики сочли, что для обнаружения нейтрино этого более чем достаточно. Действительно, требовалось подыскать надежный способ, который позволял бы отличать возникновение нейтрино от посторонних «фоновых» событий – например, от воздействия космических лучей. Рейнес и Коуэн поняли, что смогут не только зафиксировать позитрон, но и измерить свойства нейтрона, образующегося при контакте нейтрино с материей. Они знали, что позитрон столкнется с электроном в сцинтиллирующей жидкости, что практически мгновенно приведет к аннигиляции обеих частиц и даст вспышку гамма-лучей, которые зафиксируют ФЭУ. Нейтрон, в свою очередь, проскочит через жидкости по ломаной траектории, наталкиваясь на другие частицы, как пьяница в толпе. При соударении со все новыми ядрами нейтрон будет постепенно терять энергию, пока наконец не будет поглощен другим ядром. Ядро, захватившее нейтрон, избавится от избыточной энергии в виде гамма-излучения. Рейнес и Коуэн знали, что такое блуждание нейтрона обычно продолжается в течение 5 микросекунд. Таким образом, можно было отслеживать временную разбежку между двумя выбросами гамма-излучения, первый из которых вызван аннигиляцией позитрона, а второй – поглощением нейтрона. Если бы в эксперименте удалось зафиксировать такую разницу, равную точно 5 микросекундам, то это был бы несомненный признак возникновения нейтрино. В таком случае все остальные вспышки, зафиксированные детектором, Рейнес и Коуэн списали бы на обычные фоновые помехи.

Разумеется, этот новый план был гораздо практичнее и безопаснее, чем опыт с атомным взрывом. По-видимому, американские физики просто не знали об идее Понтекорво, предлагавшего использовать ядерный реактор в качестве источника нейтрино, либо забыли об этом дельном предложении. Рейнес и Коуэн изложили свой новый план поимки «скользкой частицы» в письме, адресованном Ферми. В конце концов они могли не опасаться, что кто-нибудь поймает нейтрино раньше них, так как, по замечанию Рейнеса, «в 1952 г. охота на нейтрино мало кого интересовала». Ферми одобрил их усовершенствованную стратегию: «Очевидно, описанный вами новый метод должен быть гораздо проще в реализации, а также обладает еще одним важнейшим преимуществом: измерения можно проводить столько раз, сколько потребуется».

Воодушевившись поддержкой Ферми, Рейнес и Коуэн с новыми силами взялись за дело. В 1953 г. они изготовили цилиндрический бак, вмещавший 300 л сцинтиллирующей жидкости. На стенках резервуара было установлено 90 ФЭУ. Бак был в три слоя покрыт парафином, бурой и свинцом; эти вещества экранировали рассеянные нейтроны и гамма-лучи, исходившие от реактора. Эксперимент был назван «Проект Полтергейст», так как слово «полтергейст» весьма точно характеризовало вожделенную частицу. Детектор был установлен поблизости от ядерного реактора, расположенного в городе Хэнфорд, штат Вашингтон; реактор был построен еще в годы войны и использовался для производства плутония, которым заряжали атомные бомбы. Спустя много лет Рейнес вспоминал, какое возбуждение и какую огромную усталость испытывал на заключительном этапе охоты: «В эти дни, проведенные в Хэнфорде, мы усердно работали, но в то же время теряли последние силы. На протяжении нескольких месяцев мы устанавливали и переустанавливали целые тонны свинцовых и борно-парафиновых экранирующих слоев. Работали круглыми сутками, множество хлопот возникало с грязными сцинтилляционными трубками…»

Первые признаки нейтринных сигналов удалось зафиксировать спустя несколько месяцев. Сигналы были не столь четкими, как надеялись Рейнес и Коуэн, однако их детектор регистрировал нейтрино, даже когда реактор не работал. Оказалось, что космические лучи могут давать характерные двойные вспышки, совершенно неотличимые от тех, которые ожидалось получать от взаимодействия нейтрино с материей. Однако ученые заметили, что частота таких вспышек явно возрастала при включенном реакторе, поэтому надеялись, что хотя бы некоторые из этих вспышек были вызваны нейтрино. В краткой заметке, опубликованной в журнале Physical Review, они осторожно характеризовали полученные результаты так: «Представляется вероятным, что цель [обнаружения нейтрино] достигнута, хотя необходимо провести дополнительную работу, которая бы подтвердила эту гипотезу». Позже Коуэн описывал эту ситуацию более образно: «Мы чувствовали, что вот-вот ухватим нейтрино за хвост, но к делу имеющиеся доказательства не пришьешь».

Несмотря на очень осторожный тон заметки, новости о результатах исследований просочились в СМИ. В газете The New York Times вышла статья «Команде атомщиков удалось наблюдать призрачную частицу». Журналы Scientific American и Time также опубликовали материалы на эту тему, а в пресс-релизе от организации Science Service даже делались громкие заявления, что вскоре придется переписывать учебники, так как «таинственный полтергейст современной физики наконец пойман». Когда эту новость узнал Вольфганг Паули, в те годы вновь обосновавшийся в Цюрихе, он в компании близких друзей не мешкая отправился на одну из окрестных гор, откуда открывался прекрасный вид на город, и там они устроили праздничный обед. Говорят, что позже в тот вечер ликующий Паули спускался с горы, слегка пошатываясь.

Но Рейнес и Коуэн, отличавшиеся научной въедливостью, не удовлетворились таким результатом, который был в лучшем случае предварительным. Они решили провести следующий, более выверенный эксперимент, поместив датчик рядом с новым реактором, установленным в районе Саванна-Ривер на территории штата Южная Каролина. Этот реактор был гораздо мощнее хэнфордского. Заручившись помощью нескольких коллег, они до основания переработали план эксперимента, чтобы отличать сигналы истинных нейтрино от ложных сигналов, вызванных частицами космических лучей. Кроме того, для эксперимента было подготовлено сразу несколько резервуаров со сцинтиллирующими жидкостями. Новая установка, сборка которой завершилась в конце 1955 г., весила около 10 т. Аппарат устанавливался в фундаменте здания прямо под ядерным реактором, был экранирован не только от космических лучей, но и от нейтронов, образующихся в реакторе. За несколько месяцев работы ученые записали сотни часов данных, для сравнения – при включенном и при выключенном реакторе. При включенном реакторе установка фиксировала впятеро больше пар вспышек, разделенных интервалом несколько микросекунд, чем при выключенном. К лету 1956 г., после многочисленных анализов и проверок, все члены команды уже были убеждены, что им действительно удалось обнаружить нейтрино.

Рейнес вспоминал: «Это было великолепное ощущение непосредственного участия в процессе познания. В июне 1956 г. мы решили, что пришло время сообщить о наших результатах человеку, который и начал все это, когда еще в молодости написал свое знаменитое письмо и впервые постулировал существование нейтрино». Разумеется, Рейнес говорил о Паули. Они с Коуэном послали Паули телеграмму, которая начиналась так: «Мы счастливы сообщить Вам, что определенно зарегистрировали нейтрино от фрагментов деления…» Паули получил телеграмму, как раз будучи на конференции в Женеве. Он прервал заседание и громко зачитал ее собравшимся.

На следующий день Паули ответил Рейнесу и Коуэну. В своем фирменном стиле он самодовольно отметил: «Если умеешь ждать – дождешься чего хочешь». Но телеграмма Паули в Америку не дошла. В архивах Паули сохранилась пометка секретаря о том, что ученый действительно послал такую телеграмму «ночной почтой» (отправление уходит в ночь, доставляется наутро, тарифы при этом снижены). Ответ Паули попал в точку: действительно Нобелевскому комитету потребовалось целых 40 лет, чтобы оценить открытие нейтрино. В 1995 г. Рейнес получил половину Нобелевской премии по физике. Коуэн умер за 21 год до этого, поэтому ему премия не досталась. Спустя годы после открытия Рейнес напомнил теоретику Хансу Бете, что тот еще в 1934 г. утверждал в статье, написанной совместно с Рудольфом Пайерлсом, что «наблюдать нейтрино практически невозможно». Бете шутливо ответил: «Ну разве можно верить всему, что пишут в этих статьях!»

Рейнес и Коуэн, выполнившие титаническую работу на реакторах в Хэнфорде и Саванна-Ривер, впервые смогли изловить призрачную частицу-чертенка. Они поймали нейтрино, которые могут беспрепятственно проскочить через земной шар и продолжить свой путь в глубины Вселенной. Причем они смогли это сделать при помощи очень хитроумной экспериментальной установки, воспользовавшись ядерным реактором в качестве источника нейтрино (точно как предлагал поступить Бруно Понтекорво), применив при этом совершенно иной метод, чем в проекте Понтекорво. Фантом, возникший из ничего в исстрадавшейся душе физика Паули, стал экспериментально зафиксированным феноменом материального мира, предоставив нам вполне удовлетворительное решение таинственной проблемы бета-распада, а также доказав незыблемость закона сохранения энергии. При этом подтвердились теоретические прогнозы Паули и Ферми.

С тех пор мы смогли понять, что неброские нейтрино помогают разгадать многие тайны космоса, ответить на вопросы «почему Солнце светит?» и «почему во Вселенной вообще есть материя?». Прозорливый Понтекорво первым предположил, что Солнце должно испускать огромные тучи нейтрино. Дальше нас ждет история об ученом-первопроходце, желавшем поймать внеземные нейтрино, прилетающие к нам из космических далей.

Глава 4

Подземное солнце

В начале 1950-х гг. охотой на нейтрино занимались не только Фред Рейнес и Клайд Коуэн. Рэй Дэвис, студент Йельского университета, обучавшийся физической химии, «заболел» проблемой нейтрино, однажды прочитав об этих частицах в библиотеке, и с тех пор без устали их выслеживал. Дэвис вырос в столичном Вашингтоне. Вместе с братом (он был на год и два месяца младше Рэя) они играли в уличные мальчишеские игры и плескались в реке Потомак. Отец Дэвиса, работавший фотографом в Национальном бюро стандартов США, в свое время даже не окончил школу. Однако именно он привил Рэю интерес к химическим опытам и фотографии. В молодости Дэвис хорошо стрелял из винтовки и даже получал медали за меткость, хотя позже забросил этот спорт. Мать пыталась приобщить сына к музыке, но, в отличие от Рейнеса, Дэвис пел плохо. Рэй вспоминал: «Чтобы угодить маме, я несколько лет пел в хоре, несмотря на полное отсутствие музыкального слуха».

Повзрослев, Рэй Дэвис решил посвятить себя науке, а его брат избрал военную карьеру. Дэвис окончил аспирантуру по химии в Йельском университете, затем пошел в армию и в годы Второй мировой войны служил в качестве резервиста, работая наблюдателем на испытаниях химического оружия в штате Юта. В свободное время Дэвис много гулял по окрестностям и фотографировал. После войны работал в химической компании Monsanto, где занимался исследованием радиоактивных веществ, а в 1948 г. поступил на работу в только что созданную Брукхейвенскую национальную лабораторию. Эта лаборатория была выстроена вскоре после войны на месте бывшей военной базы, расположенной на острове Лонг-Айленд. Задачи лаборатории заключались в исследовании возможностей мирного применения ядерной физики. Именно в Брукхейвене Дэвис познакомился со своей будущей женой, работавшей в биологическом отделе этого учреждения. В течение следующих 15 лет у них родилось пятеро детей. Семья Дэвисов жила на побережье, Рэй с женой своими руками собрали парусную шлюпку и впоследствии всю жизнь увлекались морскими прогулками под парусом.

Прибыв в лабораторию, Дэвис первым делом поинтересовался у начальника, чем ему предстоит здесь заниматься. Спустя десятки лет он вспоминал: «К моему удивлению и восторгу, он сказал мне идти в библиотеку и самому подыскать какую-нибудь интересную тему». Там Дэвису и попалась на глаза статья о нейтрино. Прочитав ее, молодой человек понял, что науке почти ничего не известно об этой таинственной частице, несмотря на то что Вольфганг Паули, Энрико Ферми и Бруно Понтекорво уже выполнили первые работы в этой области. Проблема нейтрино открывала широчайшие перспективы для исследователей-экспериментаторов. Более всего Дэвис заинтересовался опытом Понтекорво, в котором итальянский ученый пытался использовать в качестве детектора нейтрино большой резервуар с хлорсодержащей жидкостью. Понтекорво отмечал, что при попадании нейтрино в атом хлора этот атом превратится в радиоактивный изотоп аргона. Этот изотоп распадется с выделением радиации – поэтому его будет легко обнаружить. Учитывая большой опыт Дэвиса в области радиохимических исследований, неудивительно, что он решил взяться за эту проблему. В тот день, проведенный в брукхейвенской библиотеке, Дэвис нашел свое призвание. Он упорно шел к поставленной цели всю жизнь, хотя шансы на успех были очень невелики.

В последующие годы Дэвис занимался и другими научными вопросами. В частности, он догадался измерять возраст метеоритов (и приблизительно определять их историю) по содержащимся в метеоритах радиоактивным изотопам. Вместе с коллегой Дэвис применял методы радиометрической датировки[21], чтобы определить, сколько времени метеорит провел в космосе до падения на Землю – соответственно, как долго он подвергался воздействию космических лучей. Когда экипаж «Аполлона» доставил на Землю образцы лунного грунта, Дэвис был в группе исследователей, которые анализировали состав этих образцов. При этом произошел интересный случай. Вот что рассказывает о нем сам Дэвис: «Когда мы занимались обработкой образцов с “Аполлона-12”, один из перчаточных боксов[22] в Хьюстоне разгерметизировался. Так мне довелось целых две недели провести в карантине вместе с астронавтами и еще несколькими невезучими учеными – пока врачи не убедились, что мы не заразились какими-нибудь лунными инфекциями». Несмотря на участие в различных научных исследованиях, Дэвис на протяжении всей жизни ничем так не интересовался, как охотой за нейтрино.

Решив впервые попытать счастья в этой охоте, Дэвис установил 3800-литровый бак с жидким безводным моющим средством (тетрахлоридом углерода) рядом с небольшим ядерным реактором, имевшимся в самой Брукхейвенской лаборатории. Дэвис знал, что нейтрино редко взаимодействуют с материей, поэтому выждал несколько недель, надеясь, что за это время вполне может произойти парочка реакций, а затем измерил объем накопившегося аргона. Результаты были неутешительными: не удалось зафиксировать никакого дополнительного аргона, кроме того, что мог образоваться в жидкости под действием космических лучей. Всякие признаки нейтрино отсутствовали. Дэвис вновь поставил такой опыт в 1955 г., на этот раз соорудив более крупную модель аппарата и установив его рядом с более мощным ядерным реактором в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина. Кстати, именно там ставили свой эксперимент и Рейнес с Коуэном. Но опять же ничего у Дэвиса не получилось. Итак, Дэвис не смог достичь успеха при помощи метода, предложенного Понтекорво, а Рейнес и Коуэн отловили изворотливую частицу уже в следующем году, применив вместо хлорсодержащего наполнителя сцинтиллирующую жидкость и ФЭУ. Но и для Дэвиса игра была далеко не окончена. Теперь, когда Рейнес и Коуэн доказали реальность нейтрино, Дэвис решил поймать те из них, которые прилетают к нам от Солнца через толщу земных пород, а не образуются в ядерных реакторах.

Дэвис знал, что нейтрино должны быть важнейшим побочным продуктом ядерных реакций, генерирующих солнечную энергию, – ведь за несколько предыдущих десятилетий астрофизики уже достаточно полно описали, как именно устроены недра нашего светила. Первую важнейшую гипотезу, пролившую свет на механизм образования солнечной энергии, выдвинул в 1920 г. британский астроном Артур Эддингтон. Он предположил, что этот механизм может быть связан с ядерными реакциями. Один из коллег Эддингтона по Кембриджу установил, что масса атома гелия чуть меньше, чем суммарная масса четырех атомов водорода. Эддингтон полагал, что, когда в ядре Солнца четыре ядра водорода в результате ядерного синтеза образуют одно ядро гелия, небольшая масса, которая «теряется» в результате, на самом деле превращается в энергию, согласно эйнштейновскому уравнению E = mc2. Конечно, догадка Эддингтона была блестящим озарением, но он не раскрыл деталей механизма подобных реакций. Кто-то еще должен был описать такую ядерную реакцию, которая, с одной стороны, обеспечивала бы наблюдаемую яркость Солнца, а с другой – не шла слишком быстро (ведь при бурных ядерных реакциях Солнце бы давно выгорело).

Ханс Бете, разносторонний физик-теоретик, работавший в Корнеллском университете города Итака, штат Нью-Йорк, взялся исследовать механизм солнечной ядерной печи. Бете родился в 1906 г. в Страсбурге, который в тот период входил в состав Германской империи, а сейчас находится на территории Франции. Отец Бете был врачом, а мать – талантливым музыкантом, пока практически не потеряла слух, переболев гриппом. Вероятно, в результате болезни она страдала от приступов депрессии, и родители Бете в конце концов развелись. С четырех лет Ханс увлекался числами, а в возрасте четырнадцати самостоятельно освоил математический анализ. Кроме того, он рано научился грамоте и исписывал тетрадки собственными сочинениями. Правда, в детстве у Бете была странная привычка: он писал одну строку слева направо, а вторую – справа налево (именно таким письмом пользовались древние греки в VII в. до н. э.). К моменту окончания средней школы Бете уже гораздо больше интересовался физикой, чем математикой, так как математика, на его взгляд, «доказывает очевидные вещи». Проучившись два года в университете Франкфурта-на-Майне, Бете отправился в Мюнхен, где собирался продолжить образование под руководством харизматичного Арнольда Зоммерфельда (подобно Вольфгангу Паули, прибывшему в Мюнхен несколькими годами ранее).

Бете проявил исключительный талант к теоретической физике, с отличием окончив аспирантуру. Часть следующего года он провел в Риме, работая под началом Ферми, которым восхищался. В письме к своему бывшему научному руководителю Зоммерфельду Бете отмечал: «Бесспорно, величайшее чудо Рима – это Ферми. Невозможно описать, как он мгновенно находит решение для любой поставленной перед ним задачи». Ферми научил Бете быстро делать глубокие выводы из ориентировочных расчетов – такой подход к физике казался гораздо менее формалистичным, чем методы Зоммерфельда, усвоенные в Мюнхене.

Бете вернулся в Германию в 1932 г., получив место преподавателя в университете, но потерял работу год спустя, так как его мать была еврейкой, а Гитлер ввел расистские законы, не позволявшие евреям занимать государственные должности. Подобно многим другим ученым еврейского происхождения, Бете вскоре оказался в Америке, где стал профессором Корнеллского университета. Здесь он превосходно чувствовал себя в атмосфере научной взаимопомощи и продолжал исследования в области ядерной физики. В этот период Бете совершил поступок, который возмутил многих его коллег: разорвал помолвку с Хильдой Леви, с которой познакомился еще во Франкфурте. За долгие годы знакомства Ханс и Хильда стали очень близки. Причиной разрыва стали яростные претензии матери Хильды, причем скандал разразился всего за несколько дней до свадьбы. Друг Леви, великий датский физик Нильс Бор, был настолько обескуражен, что много лет избегал Бете.

В начале 1938 г. Бете и Чарльз Критчфилд, который тогда был аспирантом Университета Джорджа Вашингтона, изучали цепочку ядерных реакций, которая сегодня называется «протон-протонный цикл». Такой цикл – один из путей превращения водорода в гелий в звездных недрах, сопровождающийся высвобождением энергии. Бете и Критчфилд вычислили частоту, с которой происходят акты синтеза двух протонов, преодолевающих взаимное электрическое отталкивание. В результате образуется дейтрон – слабо связанное ядро, состоящее из протона и нейтрона. Когда один из участвующих в реакции протонов превращается в нейтрон, он испускает позитрон и нейтрино. Исследователи установили, что вскоре дейтрон захватывает еще один протон и превращается в ядро гелия-3. На заключительном этапе цикла два ядра гелия-3 сливаются в стабильное ядро гелия-4 и при этом испускают два протона. В сущности, Бете и Критчфилд открыли цепную ядерную реакцию, в ходе которой четыре протона (то есть четыре ядра водорода) превращаются в одно ядро гелия-4, излучая при этом фотоны (энергию), позитроны и нейтрино. В такой картине позитроны и электроны должны аннигилировать, с образованием высокоэнергетических гамма-лучей. Фотоны этих гамма-лучей пробьют себе путь из глубин Солнца, преодолевая слой за слоем, и через сотни тысяч лет достигнут поверхности звезды. К тому времени фотоны потеряют львиную долю своей энергии, превратившись в видимый свет. Нейтрино, в свою очередь, должны беспрепятственно ускользать с Солнца и достигать Земли примерно через восемь минут, поскольку они движутся практически со скоростью света.

Протон-протонный цикл ядерных реакций, при котором в ядре Солнца гелий превращается в водород. В ходе цикла выделяются гамма-лучи и образуются нейтрино

Однако Бете и Критчфилд располагали недостаточно точными данными о температуре в ядре Солнца. Выведенная ими оценка скорости образования частиц оказалась гораздо выше, чем фактическая «производительность» Солнца. Но в марте 1938 г. Бете, будучи на научном собрании в Вашингтоне, узнал замечательные новости: оказалось, что, по последним расчетам астрофизиков, температура в недрах Солнца должна быть гораздо ниже, чем предполагалось ранее. Бете понял, что при новой оценке температуры его расчеты гораздо лучше согласуются с наблюдениями, и решил исследовать все различные варианты превращения водорода в гелий, происходящего в глубине звезд.

Вооружившись лишь ручкой и бумагой, Бете открыл альтернативную цепную реакцию, которая сегодня называется «CNO-цикл». «CNO» – химические символы углерода, азота и кислорода. Эта реакция хорошо вписывалась в наблюдаемую картину. Позже Бете вспоминал: «Рассказывают, что я догадался об углеродном цикле, когда ехал домой из Вашингтона на поезде. Это не так. Но, вернувшись в Итаку, я действительно стал размышлять о том, как образуется энергия в массивных звездах». Не прошло и двух недель после окончания конференции в Вашингтоне, как Бете уже разработал этот цикл в деталях. Цикл начинается с атома углерода, поглощающего ряд протонов (иными словами, ядер водорода). В результате углерод превращается в азот, а азот – в кислород. Ядро кислорода, в свою очередь, испускает ядро гелия, в результате чего кислород вновь становится углеродом. Этот способ превращения водорода в гелий, сопровождающийся выделением энергии, очень изящен, причем углерод в данном случае играет роль катализатора. В ходе ядерных реакций, состоящих из CNO-циклов, также образуются нейтроны. Вся проблема заключается в том, что для устойчивого CNO-цикла требуются температуры выше 20 млн градусов. Таким образом, он описывает образование энергии в более массивных и горячих звездах, чем Солнце. Бете заключил, что сияние звезд-гигантов обусловлено CNO-циклом, а такие звезды, как Солнце, светят благодаря протонно-протонному циклу.

Если теория Бете об образовании солнечной энергии была верна, то Солнце должно было представлять собой обильный источник нейтрино. Но в статье «Источники энергии звезд» (Energy Production in Stars), опубликованной в 1939 г., Бете не упомянул, что для проверки этой теории можно было бы попытаться отловить солнечные нейтрино. В тот период нейтрино еще воспринимались как теоретический конструкт, поэтому неудивительно, что Бете предпочел о них умолчать. Даже в пророческом докладе Понтекорво от 1946 г. солнечные нейтрино упоминаются лишь вскользь. Однако возможность заглянуть в недра Солнца, изучив солнечные нейтрино, распалила любопытство Рэя Дэвиса.

На самом деле Дэвис пытался обнаружить солнечные нейтрино еще в ходе эксперимента, поставленного в Брукхейвене. Детектор, который он использовал, и близко не обладал чувствительностью, которая для этого требовалась, однако Дэвис вычислил ориентировочное максимальное количество нейтрино, ежесекундно прилетающих к нам от Солнца, и указал эти данные в своей публикации. Один физик решительно отверг предложенную Дэвисом оценку, заявив: «Не могу себе представить научную статью, автор которой описал бы такой эксперимент: физик забирается на гору, оттуда пытается дотянуться рукой до Луны. Ему это не удается, из чего физик делает вывод, что расстояние от вершины до Луны больше двух с половиной метров». Такой скепсис не смутил отважного экспериментатора. Да, первый опыт Дэвиса был очень малым шагом, но тем не менее очень важным.

Самая большая сложность, с которой столкнулся Дэвис, заключалась в следующем: большинство нейтрино, образующихся в ходе протон-протонного цикла, обладали слишком малой энергией, поэтому не могли достаточно сильно ударить атом хлора и превратить его в аргон. Таким образом, обнаружить их в эксперименте Дэвиса было невозможно. Однако Дэвис не оставлял надежды, полагая, что не все нейтрино одинаковы и некоторые должны обладать достаточной энергией, чтобы детектор на них отреагировал. В частности, он знал, что время от времени третий этап протон-протонного цикла протекает «не по правилам»: вместо столкновения двух ядер гелия-3 (с образованием гелия-4) происходит столкновение гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется бериллий-7. В свою очередь, бериллий-7 может прореагировать с протоном и стать бором-8. Изотоп бор 8 нестабилен; он распадается в бериллий-8 и при этом испускает позитрон и нейтрино. Именно такой нейтрино должен обладать достаточной энергией, чтобы его можно было зафиксировать в эксперименте Дэвиса. К радости Дэвиса, в 1958 г. физики из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне установили, что такая альтернативная реакция происходит в тысячу раз чаще, чем предполагалось ранее. Двое астрофизиков – Вилли Фаулер из Калифорнийского технологического института и Аластер Кэмерон, в тот период работавший в канадской лаборатории на реке Чок-Ривер, – осознали всю важность этого открытия для отслеживания солнечных нейтрино и предупредили Дэвиса, что его шансы на успех возросли.

Воодушевившись добрыми новостями, Дэвис в конце 1959 г. вновь решил поохотиться на солнечные нейтрино. На этот раз он установил детектор в известняковой шахте Барбетон в штате Огайо. Глубина шахты составляла более 700 м, поэтому Дэвис рассчитывал, что ему удастся избавиться от надоедливых космических лучей, которые в иных условиях перекрывали сигналы нейтрино. Первые оценки Дэвиса относительно разрешающей способности этого эксперимента были скорее оптимистическими: Дэвис полагал, что сможет ежедневно регистрировать хотя бы несколько солнечных нейтрино. Но ему предстояло испытать еще одно разочарование: проверив детектор, он не нашел никаких следов неуловимых солнечных посланцев. Вскоре после этого Дэвису довелось узнать и о другом неприятном факте. По данным ученых из лаборатории ВМС, синтез бериллия-7 был достаточно простой реакцией. Однако другие исследователи обнаружили, что следующий этап реакции – превращение бериллия-7 в бор-8 (с поглощением протона) – случается гораздо реже. Таким образом, количество высокоэнергетических солнечных нейтрино должно быть очень низким, и эксперимент Дэвиса не позволяет их зарегистрировать. В 1960 г. Фред Рейнес резюмировал ситуацию так: «Даже при опыте с огромными детекторами, содержащими тысячи или сотни тысяч галлонов[23] [тетрахлорида углерода], вероятность успеха столь невелика, что, пожалуй, экспериментаторам стоит оставить такие попытки». Большинству физиков ситуация казалась безнадежной. Некоторые ученые, не столь упорные, как Дэвис, просто решили смириться и заняться чем-нибудь другим. Однако Дэвис решил провести более масштабный эксперимент, увеличив свою установку в 100 раз. Новый резервуар был сравним по объему с олимпийским плавательным бассейном. Соответственно, такой детектор был гораздо чувствительнее предыдущих моделей.

Тут в нашей истории появляются два новых героя – ученые, познакомившиеся по счастливой случайности. Удивительно, как часто подобные стечения обстоятельств влияют на развитие науки – вспомнить хотя бы вынужденную посадку самолета, на котором летели Рейнес и Коуэн. В истории, которую мы сейчас обсудим, редактор журнала невольно стал посредником между двумя учеными, ранее не знавшими друг друга. Одним из этих исследователей был Вилли Фаулер, приятель Дэвиса. Фаулеру удалось доказать, что протекающие в звездах ядерные реакции порождают все легкие химические элементы – от углерода до железа, – тогда как начинаются эти реакции с водорода и гелия, элементов, образовавшихся еще при Большом взрыве. Вторым героем этой истории стал блестящий молодой теоретик по имени Джон Бакал. Бакал вырос в Луизиане, отлично играл в теннис, а в старших классах был чемпионом по дебатам. В юности он планировал изучать философию и стать раввином. Проучившись год в Луизианском государственном университете, он отправился на летние курсы в Калифорнийский университет города Беркли. Бакалу там понравилось, и он остался в Калифорнии писать работу по философии на соискание степени бакалавра благодаря одному родственнику, согласившемуся покрыть расходы на обучение.

Для получения этой степени Бакал был обязан пройти курс по естествознанию. Молодой человек добился, чтобы ему разрешили выбрать физику в качестве профилирующей дисциплины, хотя в старших классах вообще не занимался естественными науками. Именно тогда Бакал открыл в себе настоящую страсть к физике. Позже он вспоминал: «Это было самое сложное, чем мне приходилось заниматься в жизни, но я запал на естественные науки. Я был восхищен самим фактом, что, немного разбираясь в физике, ты начинаешь понимать, как именно устроен мир, как садится солнце и летают самолеты, причем на каждый вопрос есть правильный ответ, с которым все согласны». Затем Бакал получил степень магистра по физике в Чикагском университете и докторскую степень в Гарварде.

В 1960 г., будучи научным сотрудником в Университете Индианы, Бакал отправил в журнал Physical Review статью о процессах бета-распада, протекающих внутри звезд. Как же он удивился, получив письмо об этой статье от Вилли Фаулера, причем еще до публикации самой статьи! Фаулер попросил редактора журнала составить для него конспект этой статьи, а в письме Бакалу предложил молодому философу перебраться на работу в Калифорнийский технологический институт. Работа Бакала так впечатлила Фаулера, что он написал о молодом теоретике и Рэю Дэвису, посоветовав связаться с Бакалом. Действительно, Дэвис написал Бакалу, попросив того помочь ему уточнить активность образования солнечных нейтрино, рассчитав темпы соответствующих ядерных реакций. Бакал с радостью согласился помочь, так между ними завязалось тесное научное сотрудничество и близкая дружба, продлившаяся более 50 лет.

Поначалу Бакал недооценил масштаб задачи, которую поставил перед ним Дэвис. Спустя несколько десятилетий в интервью журналу Nova он признавался: «Когда я оказался в Калифорнийском технологическом и попытался рассчитать, сколько нейтрино должно прилетать от Солнца, я осознал, что эта проблема несравнимо сложнее, чем мне казалось на первый взгляд, поскольку на Солнце наперегонки друг с другом идет сразу множество ядерных реакций». Более того, Бакалу предстояло определить различные характеристики солнечных недр – химический состав, температуру, плотность, давление – с максимально возможной точностью. Только после этого он мог бы предоставить Дэвису достоверную оценку количества нейтрино, образующихся на Солнце. Результаты первых вычислений Бакала были удручающими: он подсчитал, что 3800-литровый резервуар Дэвиса позволяет зарегистрировать примерно один нейтрино за 100 дней. По оценке Бакала, даже если бы Дэвису удалось соорудить детектор в 100 раз объемнее, то он мог бы ловить примерно по одной частице в день, чего явно недостаточно для надежного измерения солнечных ядерных реакций.

Но хорошие новости пришли с другого фронта. Обратив внимание на гипотезу датского физика, Бакал обнаружил, что хлор должен захватывать нейтрино в 20 раз эффективнее, чем предполагалось ранее. Планы Дэвиса получили новый сильнейший импульс. Теперь, имея реальную перспективу ловить несколько солнечных нейтрино ежедневно, Дэвис считал целесообразным и конструирование нового большого детектора. Он знал, что для защиты этого тонкого эксперимента от космических лучей установку следует расположить примерно в 1,5 км под землей.

Хотя финансирование для этого грандиозного проекта еще даже не просматривалось, в 1963 г. Дэвис стал искать подходящие глубокие шахты по всей территории США. В этом ему помогал Блэр Манхофен, коллега Дэвиса по Брукхейвенской лаборатории. Горное бюро США официально рекомендовало Дэвису рассмотреть два варианта: золотой рудник Хоумстейк в Южной Дакоте и медный рудник Анаконда в Монтане. Дэвис и Манхофен лично побывали на обеих шахтах. Владельцы рудника Анаконда очень хотели, чтобы ученые выбрали для эксперимента именно их шахту, поэтому предложили по низкой цене выполнить бетонную облицовку цилиндрической исследовательской скважины. Но Дэвис и Манхофен пришли к выводу, что сами горные породы в Анаконде не позволяют выкопать достаточно объемную полость на требуемой глубине. В Хоумстейк подготовка такой полости технически не составляла проблем, но такие работы должны были обойтись достаточно дорого. Поэтому коллеги-физики решили поискать другие варианты. Наконец, они отыскали серебряный рудник Саншайн в штате Айдахо, подходивший им и с технологической, и с бюджетной точки зрения. Итак, место было найдено, оставалось выбить деньги под эксперимент.

Это был уже очень серьезный этап. Дэвис и Бакал решили обратиться за официальным одобрением эксперимента и финансированием к директору Брукхейвенской лаборатории Морису Гольдхаберу. Гольдхабер был физиком-ядерщиком, он сомневался, что астрономы вообще способны что-то вычислить с настолько высокой точностью, чтобы это было ему интересно. Дэвис знал об этом предубеждении Гольдхабера, поэтому посоветовал Бакалу в разговоре с директором сделать акцент на ядерной физике, а не на астрофизике. Прием сработал – Гольдхабер санкционировал этот эксперимент и согласился оплатить его за счет лаборатории. Позже Бакал с воодушевлением описывал это достижение как «величайшую дипломатическую победу Рэя».

В начале 1964 г. Бакал и Дэвис сформулировали свою теорию и описали эксперимент в двух статьях. Они описали возможность использования резервуара объемом 380 000 л безводной моющей жидкости в качестве детектора солнечных нейтрино. Эти материалы привлекли самое пристальное внимание широкого научного сообщества. Понтекорво, живший в СССР, изучил эти статьи с большим интересом. Планы Бакала и Дэвиса по охоте за нейтрино освещались даже в СМИ, и такая публичность принесла неожиданную пользу: когда планы по постановке опыта на шахте Саншайн неожиданно сорвались (жаль, а ведь название было в самую точку[24]), к ученым обратились владельцы шахты Хоумстейк, предложившие гораздо более привлекательную смету земляных работ. Производители промышленных резервуаров также гораздо сильнее заинтересовались в этом эксперименте. В послании к Бакалу, написанному в тот период, Дэвис отмечал: «Эти резервуарщики стали воспринимать нас гораздо серьезнее после выхода статьи в Time».

Извлечение горных пород на шахте Хоумстейк началось весной 1965 г. и заняло около двух месяцев. Когда Дэвис и Блэр Манхофен спустились на 1,5-километровую глубину, чтобы лично осмотреть получившуюся гигантскую полость, они остались очень довольны. Дэвис обратился в Chicago Bridge and Iron Company, которая ранее занималась изготовлением герметичных космических отсеков для NASA, и заказал им резервуар для эксперимента. Компания справилась с работой за год. Резервуар как следует вычистили и крепко запечатали, чтобы не допустить попадания атмосферного аргона в жидкость и таким образом избежать загрязнения. Позже Дэвис и Бакал узнали, что компания «не заинтересовалась бы изготовлением такого небольшого, достаточно незамысловатого бака, какой требовался для нейтринного эксперимента, но ее привлекли цели эксперимента как таковые, а также необычное место для установки резервуара». Далее на шахту из Канзаса прибыл состав из 10 железнодорожных цистерн с безводным моющим средством. Ученые доставляли жидкость вниз к резервуару в специально изготовленных для этого контейнерах, воспользовавшись проложенной в шахте узкоколейкой и подъемником. На последнем этапе подготовки эксперимента потребовалось удалить из жидкости весь растворенный в ней воздух, чтобы избавиться от малейших следов аргона.

К осени 1966 г. все было готово к началу эксперимента. Итоговая цена проекта составила $600 000, как выразился Дэвис, «по стоимости – как 10 минут эфирного времени на коммерческом телеканале». Тем временем Бакал продолжал уточнять свои оценки, высчитывая, сколько примерно нейтрино Дэвис сможет обнаружить при помощи нового аппарата. По самым оптимистичным оценкам Бакала, нейтрино, взаимодействующие с атомами хлора в жидкости, должны порождать несколько десятков атомов аргона в месяц.

Дэвис был уверен, что практически все эти атомы удастся выудить. Он был не склонен делать громкие заявления, скромно сравнивая себя с «сантехником», имея в виду, что вся необходимая работа для решения важнейшей задачи захвата солнечных нейтрино сводится к прозаической постройке и эксплуатации большого бака и опутывающих его труб. Правда, требовалось с максимальной тщательностью избегать даже малейшей разгерметизации. Но Бакал описывал ситуацию так: «Сам не будучи химиком, я был просто поражен масштабами этого проекта и тем, насколько филигранно мы подходили к его реализации… Он сможет найти в этом баке несколько атомов [радиоактивного аргона] и извлечь их оттуда, и в таком случае мы будем уверены, что они возникли под действием солнечных нейтрино. Поневоле задумаешься, так ли сложно найти иголку в стоге сена».

Сборка резервуара, который был использован Рэем Дэвисом в эксперименте по регистрации солнечных нейтрино в золотом руднике Хоумстейк

(Brookhaven National Laboratory)

На самом деле, чтобы получить свой улов, Дэвису предстояло выполнить работу, состоявшую из сложнейших этапов. Сначала требовалось ждать несколько недель, пока от контакта с нейтрино несколько атомов хлора превратятся в аргон. Затем резервуар следовало под напором продуть гелием, который увлекал за собой аргон в охлажденный уловитель с абсорбентом из древесного угля. При очень низкой температуре аргон конденсировался в этом уловителе, отделяясь от гелия. Затем Дэвис подогревал уловитель, чтобы аргон выделился в газообразном виде, собирал его и химически очищал, чтобы избавиться от следов каких-либо других радиоактивных элементов. Конечный образец, сравнимый по размеру с кубиком рафинада, содержал обычный аргон, а также несколько атомов аргона-37, образовавшихся в результате попадания нейтрино в атомы хлора. При помощи счетчика Гейгера Дэвис определял количество атомов радиоактивного аргона, которое соответствовало количеству высокоэнергетических нейтрино, прилетевших с Солнца. Действительно, добыча всего нескольких особенных атомов из резервуара, в котором насчитывалось около миллиона триллионов триллионов (1030) атомов, была потрясающим достижением.

Проведя на руднике Хоумстейк около двух лет за сбором данных, Дэвис обнародовал первые результаты своих исследований на конференции, состоявшейся в Калифорнийском технологическом институте в 1968 г. Он объявил, что в ходе эксперимента удалось зарегистрировать солнечные нейтрино, но всего треть от того количества, которое ориентировочно вывел при своих расчетах Бакал. Сам факт, что кому-то удалось обнаружить солнечные нейтрино (фактически – впервые заглянуть в сердце звезды), уже был примечательным достижением. Но все газеты наперебой сообщали не об этом, а об исключительном несоответствии между теорией и наблюдениями.

Бакал опасался, что результаты Дэвиса фактически могут опровергнуть его (Бакала) солнечную модель. На конференции в Калифорнийском технологическом молодой теоретик был так печален, что легендарный физик Ричард Фейнман (через три года получивший часть Нобелевской премии за работы в области квантовой электродинамики) предложил вместе выйти и немного проветриться. Пока двое ученых гуляли по кампусу, между ними завязался разговор. Бакал вспоминает, что Фейнман, наконец, попытался его подбодрить: «Понимаете, я ведь вижу, что эта лекция вас удручила; так вот, просто хотел сказать – поверьте, вы напрасно расстраиваетесь. Все мы слышали, что вам удалось сделать, никто не усмотрел никаких ошибок в ваших вычислениях. Не знаю, почему результаты Дэвиса с ними не согласуются, но в любом случае не падайте духом. Может быть, вы совершили что-то очень важное, мы просто еще не знаем этого наверняка». Дружелюбие Фейнмана и ободряющие слова глубоко тронули Бакала и помогли ему собраться с духом.

Такое несоответствие между теорией и практическими результатами заставляло задуматься не только о модели Бакала, но и о надежности эксперимента Дэвиса. Многие ученые сомневались, что Дэвису вообще удалось поймать солнечные нейтрино. Они указывали, что в резервуар вполне мог проникнуть атмосферный воздух и загрязнить жидкость детектора – не этим ли объясняется наличие «лишнего» аргона? Кроме того, действительно ли метод Дэвиса позволял извлечь считаные атомы аргона из такого огромного объема жидкости? Вилли Фаулер предложил Дэвису ответить на эту критику, продемонстрировав действенность описываемого метода: впрыснуть в жидкость 500 атомов радиоактивного аргона, как следует ее перемешать, а потом извлечь эти атомы обратно. Дэвис принял вызов и с легкостью выудил из резервуара весь радиоактивный аргон, до последнего атома.

Результаты проверки убедили некоторых скептиков, что экспериментальные приемы Дэвиса действительно работают. Вероятно, директор Брукхейвенской лаборатории Гольдхабер с самого начала был прав: астрофизики не вполне понимали, о чем идет речь. Другие скептики интересовались, не может ли этот результат объясняться чисто статистическими совпадениями. Ведь известно, что если несколько раз бросить монетку, то она с определенной вероятностью упадет орлом или решкой. Чтобы развеять подобные сомнения и повысить надежность эксперимента, Дэвис принялся дорабатывать детектор, чтобы аппарат лучше отличал истинные попадания нейтрино от фоновых помех. Бакал усовершенствовал свою солнечную модель, повторив вычисления с учетом новых данных о скорости протекания соответствующих ядерных реакций. К сожалению, ни все эти доработки, ни годы работы, потраченные на сбор новых данных, не устранили основной проблемы: слишком большой разницы между теоретическими прогнозами и наблюдениями.

Несмотря на добросовестную работу Дэвиса и Бакала, к началу 1970-х стало понятно, что до решения «проблемы солнечных нейтрино» еще очень далеко. Такая ситуация вынуждала многих ученых предлагать все новые решения этой задачи – от разумных до самых нелепых. Некоторые специалисты предлагали откорректировать стандартную солнечную модель – уточнить содержание тяжелых элементов в нашей звезде, скорость вращения солнечного ядра, учесть влияние магнитного поля. Австралийский математик Эндрю Прентис выступил с еще более радикальным, если не сказать ужасающим предложением: он выдвинул гипотезу, что Солнце уже выгорело и от него осталось лишь гелиевое ядро. Поскольку фотоны, образующиеся в солнечном ядре, достигают Земли спустя несколько десятков тысяч лет после своего возникновения, факт выгорания Солнца станет очевиден для нас лишь спустя некоторое время. Британский астрофизик Фред Хойл, известный своими внесистемными взглядами, предположил, что солнечное ядро состоит в основном из тяжелых элементов, которые окружены водородной оболочкой. Еще некоторые теоретики высказывали мнение, что в центре Солнца может находиться черная дыра, а энергия Солнца образуется совсем не в процессе ядерного синтеза, а под действием утекания материи в эту черную дыру, которая, в свою очередь, подпитывает Солнце. Наконец, некоторые ученые полагали, что все несоответствия связаны с тем, что мы просто ошибочно представляем себе свойства нейтрино. Сам Бакал размышлял, не являются ли нейтрино нестабильными и не распадаются ли они на другие частицы. Понтекорво и его советские коллеги отстаивали точку зрения, что нейтрино могут существовать в виде нескольких сортов, причем на пути от Солнца переходить из одного сорта в другой. Они считали, что детектор Дэвиса регистрирует нейтрино только одного типа – этим и может объясняться немногочисленность отловленных частиц.

К началу 1980-х эксперимент на руднике Хоумстейк уже исчерпал кредит доверия в умах большинства физиков. Результаты, полученные Дэвисом, больше не обсуждались. Было очевидно, что он проделал титаническую работу, чтобы понять и максимально усовершенствовать свой аппарат, но досадные расхождения никуда не исчезли. Бакал и Дэвис писали: «Нам казалось удивительным и, пожалуй, более чем удручающим, что с момента выхода наших [первых] статей на эту тему [вышедших в 1968 г.] мы не наблюдаем никаких существенных изменений в наблюдениях, а также не можем доработать стандартную теорию, несмотря на 12-летний труд и постоянную перепроверку деталей, которые мы всеми силами пытались уточнить». Тем не менее на тот момент только Дэвису удалось поймать этих призрачных солнечных посланцев, а кроме него почти никто не горел желанием углубляться в исследование проблемы, которая, казалось бы, зашла в тупик. Наиболее точно ситуацию резюмировал Бакал: «Все специалисты, систематически занимающиеся исследованием солнечных нейтрино, – как теоретики, так и практики – могли свободно разместиться на переднем сиденье машины Рэя – и часто так и делали». Несоответствие между теоретическими прогнозами и количеством наблюдаемых солнечных нейтрино сохранялось, позже эта проблема была охарактеризована в газете The New York Times как «одна из самых удручающих неудач науки XX в.».

Большинство ученых возлагали вину за такое несоответствие на астрономов. Считалось, что проблема заключается в бакаловской модели солнечных недр. Но к концу 1980-х Бакал нашел новый повод для оптимизма. Зарождалась научная дисциплина – геосейсмология. Первые исследования в этой области были посвящены изучению вибрации Солнца, и они хорошо коррелировали с теоретическими прогнозами модели Бакала. Он, в свою очередь, почувствовал себя оправданным и объявил, что теперь очередь астрономов праздновать победу. Данные геосейсмологии свидетельствовали о корректности теоретической модели, а значит, корень проблемы с дефицитом наблюдаемых нейтрино заключался в чем-то другом. Многие физики критиковали этот вывод. Докладчик, подводивший итоги одной научной конференции, просто высмеял Бакала, продемонстрировав слайды с едкими карикатурами. Присутствовавший при этом Джон вспоминал: «Он заставил всю аудиторию, включая меня, смеяться над бравадой и гордыней того парня, который не постеснялся рассуждать о физике частиц, опираясь на свою мудреную солнечную модель». После такого прилюдного унижения Бакал стал гораздо осторожнее делиться своими выводами.

Тем временем в середине 1980-х на другом конце света разворачивался новый эксперимент, связанный с охотой на солнечные нейтрино. Работы велись в шахте Камиока, расположенной примерно в 150 км к западу от Токио. Установленный там детектор изначально проектировался для другой цели: он был призван проверить, могут ли распадаться протоны, поэтому эксперимент получил название Kamiokande[25]. В данном эксперименте были воплощены идеи ученого по имени Масатоси Косиба, вернувшегося на родину после нескольких лет работы в США. Косиба с коллегами хотел проверить основной теоретический прогноз так называемых «теорий большого объединения».

Эти теории, называемые в обиходе аббревиатурой ТБО, были призваны выстроить единый контекст для описания трех из четырех фундаментальных взаимодействий, существующих в природе. Теоретики предполагали, что, хотя в современной Вселенной электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие значительно отличаются друг от друга, непосредственно после Большого взрыва все они действовали как единая однородная сила. Если допустить, что такие теории верны, то в соответствии с подобной картиной мира протоны должны спонтанно распадаться на более легкие элементарные частицы, но такой «период полураспада» протона должен быть крайне велик. Косиба сознавал, что даже если среднее время жизни протона значительно превышает возраст Вселенной, то каждый год он все равно смог бы фиксировать несколько актов распада – при условии, что удастся отслеживать состояние колоссального количества протонов. Поэтому он убедил коллег сконструировать детектор Kamiokande. Эта установка представляла собой резервуар, содержащий 3000 т чистой воды. В стенках изнутри резервуара встроены тысячи ФЭУ. Правда, этот детектор не дал никаких доказательств в пользу распада протонов.

Но исследователи вскоре пришли к выводу, что выстроенный ими агрегат вполне можно использовать для регистрации солнечных нейтрино. Заручившись помощью американских коллег, они модифицировали и усовершенствовали свой эксперимент, чтобы детектор реагировал и на солнечные нейтрино. Эксперимент Kamiokande по обнаружению таких нейтрино функционально значительно отличался от исследования, проводившегося в шахте Хоумстейк. Во-первых, для регистрации частиц использовалась вода, а не безводная моющая жидкость. Время от времени солнечный нейтрино сталкивается с электроном в молекуле воды и выбивает его с орбиты, как один бильярдный шар – другой. Этот быстрый электрон оставляет своеобразный след, напоминающий по форме конус света. Такое бледно-голубое свечение получило название «излучение Черенкова»[26], в честь советского физика Павла Алексеевича Черенкова, исследовавшего этот феномен. ФЭУ, усеивающие стенки резервуара с внутренней стороны, способны зарегистрировать любую световую вспышку, а значит – взаимодействие электрона и нейтрино. Эксперимент Kamiokande помогал ответить и еще на два вопроса. По направлению светового конуса исследователи могли судить, откуда пришел нейтрино, а по интенсивности – определять энергию этого нейтрино. Важнейший из недостатков установки Kamiokande был таким же, как и в эксперименте Хоумстейк: установка позволяла зарегистрировать лишь сравнительно высокоэнергетические нейтрино. Другой недостаток заключался в том, что ФЭУ улавливали не только столкновения нейтрино и электронов, но и иные сигналы – например, вызываемые космическими лучами. Но исследователи нашли способ отличать события с участием нейтрино от прочих сигналов (помех) по очертаниям светового конуса.

Отчет о первых итогах охоты на нейтрино в рамках эксперимента Kamiokande вышел летом 1989 г. Независимые результаты, полученные японскими учеными, воодушевили Рэя Дэвиса: эксперимент Kamiokande не только подтвердил, что часть нейтрино попадает на Землю с Солнца, но и выявил дефицит количества частиц в полном соответствии с прогнозами Бакала – точно такой, какой наблюдался и в эксперименте Хоумстейк. Более того, в течение нескольких следующих лет исследователи из Камиоки также подтвердили, что и энергетический спектр улавливаемых нейтрино согласуется с расчетами Бакала. Оставалось признать, что Дэвис и Бакал с самого начала были правы и явный дефицит наблюдаемых солнечных нейтрино – реальность. Что же это означало? Бакал, испытавший огромное облегчение, узнав о результатах эксперимента Kamiokande, так ответил на этот вопрос: «Я почувствовал: ага, вот мы и исключили вероятность того, что экспериментальные результаты в чем-то ошибочны. Я полностью уверился, что моя теория верна. Показалось, что наконец-то у нас началась светлая полоса». Выяснилось, что дефицит нейтрино открывает путь к новой физике – впрочем, отнюдь не новой, по крайней мере для Бруно Понтекорво, указавшего этот путь еще несколькими десятилетиями ранее.

Глава 5

Космические хамелеоны

Более полувека назад Бруно Понтекорво сделал два важнейших предположения, которые стали ключевыми для разгадки тайны солнечных нейтрино. Во-первых, он понял, что в природе существует не один, а несколько типов нейтрино. Он пришел к такому выводу, наблюдая за распадом мюона – нестабильной элементарной частицы, относящейся к семейству лептонов (к этому же семейству принадлежат электрон и нейтрино). Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии и, по сути, являются первокирпичиками материи. Кроме того, мюон имеет отрицательный заряд и существует всего лишь около двух миллионных долей секунды, после чего распадается. Понтекорво предположил, что с мюоном и электроном связаны разные типы нейтрино.

Трое физиков из Колумбийского университета – Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер – подтвердили существование двух типов нейтрино, поставив соответствующие эксперименты на ускорителе частиц в 1962 г., и тем самым доказали верность догадок Понтекорво. Вскоре Мартин Перл и его коллеги из Стэнфордского университета идентифицировали третью, еще более массивную частицу, относящуюся к семейству лептонов, и назвали ее тау-частицей. Исследователи предположили, что должен существовать и третий тип нейтрино, связанный с тау-частицами. Типы нейтрино стали именоваться образным термином «ароматы».

Второе озарение Понтекорво заключалось в том, что нейтрино могут быть изменчивыми. Он обнаружил, что законы квантовой механики позволяют нейтрино превращаться из одного типа в другой – «осциллировать». Но это было возможно лишь при условии, что нейтрино обладают ненулевой массой. Понтекорво осознал, что масса нейтрино может оказаться минимальной, даже в тысячи раз меньше, чем у электрона – но нулевой все-таки быть не может. Кроме того, он знал, что при ядерных реакциях на Солнце образуются нейтрино лишь одного аромата – электронные нейтрино – и что лишь этот сорт нейтрино позволяет обнаружить эксперимент с хлорсодержащей жидкостью, поставленный Дэвисом. Вскоре после того, как в 1968 г. Дэвис впервые сообщил о дефиците солнечных нейтрино, Бруно Понтекорво и его советский коллега Владимир Наумович Грибов предположили, что по пути от Солнца на Землю нейтрино могут превращаться из одного сорта в другой – этим и объясняется их недостача, наблюдаемая в ходе экспериментов. Понтекорво и Грибов провели аналогию: «представьте, если бы шоколадное мороженое превращалось в ванильное». При всей странности выдвинутой ими теории, такая трактовка давала простое и красивое объяснение дефициту солнечных нейтрино: две трети электронных нейтрино, образующихся на Солнце, могут по пути к Земле сменить аромат и таким образом ускользнуть от наблюдений.

Подобная гипотеза представляется вполне оправданной в зыбком мире квантовой механики, где определенность уступает место вероятности. В квантовой механике частица может описываться и как волна, длина которой зависит от скорости и массы частицы. С математической точки зрения речь идет о «волновой функции», описывающей каждый из ароматов нейтрино. Если нейтрино всех трех ароматов обладают разными массами, то для каждого из ароматов нейтрино должна быть характерна своя длина волны. В сущности, можно сказать, что каждый нейтрино является гибридом всех трех ароматов. Продолжая аналогию с мороженым, можно сказать, что такое мороженое состоит сразу из трех начинок – шоколадной, ванильной и клубничной.

Как осциллируют нейтрино. (Reproduced with permission. Copyright © 2003 by Scientific American, Inc. All rights reserved.)

Пока нейтрино летит через космическое пространство, волны, соответствующие различным ароматам, распространяются с разной скоростью. По пути эти волны накладываются друг на друга, поэтому в различных точках пространства мы получим разные комбинации ароматов. Иногда будет наблюдаться выраженный аромат шоколада, тогда как в других случаях этот аромат сменится на ванильный или клубничный. Итак, частица, которая в момент возникновения являлась электронным нейтрино, может преодолеть некоторое расстояние и приобрести свойства тау-нейтрино. Именно так, по версии Понтекорво и Грибова, нейтрино могут изменяться на пути от Солнца к Земле.

Сложность заключалась в том, что их гипотеза противоречила общепризнанному убеждению, сложившемуся в научном сообществе: большинство физиков считали, что нейтрино не имеют массы и движутся со скоростью света – точно как фотоны, которые лишены массы. Если бы нейтрино действительно обладали такими свойствами, то не могли бы менять ароматы. На самом деле стандартная модель физики частиц, сформулированная в 1970-е гг. и получившая множество экспериментальных подтверждений, постулирует, что масса нейтрино равна нулю. Учитывая, каких впечатляющих успехов в описании субатомного мира позволила достичь стандартная модель, не многие физики были готовы отвергнуть ее положения относительно нейтрино и согласиться с радикальным предположением Понтекорво.

Однако настрой ученых стал меняться, когда трое физиков-теоретиков, занимаясь вычислениями, обнаружили любопытный эффект. Советские физики Станислав Павлович Михеев и Алексей Юрьевич Смирнов, опираясь на гипотезу американского физика Линкольна Вольфенштейна, пришли к выводу, что нейтрино должны гораздо активнее осциллировать в веществе, чем в вакууме. Таким образом, если сразу после возникновения в солнечном ядре нейтрино обладают умеренной изменчивостью, то к тому моменту, как такая частица достигнет поверхности Солнца, она уже должна осциллировать в бешеном темпе. Этот феномен получил название «эффект МСВ» – по инициалам своих первооткрывателей. Многие физики сочли его математическое описание весьма интересным. Джон Бакал признался одному журналисту: «Идея эффекта МСВ очень красивая. Мне кажется, что если бы природа действительно не использовала такую возможность, то это была бы некая космическая ошибка».

Но одни лишь теоретические рассуждения не могли убедить физиков в правоте Понтекорво относительно осцилляций нейтрино. Поэтому многие исследователи восторженно отнеслись к первым экспериментальным доказательствам переходов нейтрино из одного аромата в другой, полученным в 1990-е гг. К тому времени японские охотников за нейтрино усовершенствовали свой детектор, который теперь назывался Super-Kamiokande, или Super-K. Новый прибор стал гораздо чувствительнее, чем исходный детектор Kamiokande. Детектор Super-K, как и более ранние модели, мог регистрировать не только солнечные нейтрино, но и такие, которые образуются в верхних слоях земной атмосферы под действием космических лучей. Так называемые «атмосферные нейтрино» обладают в сотни и даже в тысячи раз большей энергией, чем солнечные. Соответственно, отловить атмосферные нейтрино значительно проще. По оценке ученых, мюонные нейтрино должны образовываться при контакте с космическими лучами вдвое чаще, чем электронные нейтрино. К счастью, детектор Super-K может отличать нейтрино двух этих типов дуг от друга: электронный нейтрино, попадающий в воду, оставляет зыбкий круг света, тогда как подобный круг от взаимодействия с мюонным нейтрино очень четкий. Группа исследователей, наблюдавшая оба сорта нейтрино в Super-K на протяжении почти двух лет, обнародовала неожиданный результат: никакого двукратного перевеса мюонных нейтрино над электронными не наблюдалось, оба эти сорта нейтрино встречались в приблизительно равных пропорциях. Одно из возможных объяснений этого феномена, заключили ученые, таково: возможно, половина мюонных нейтрино переходит в третий аромат, тау-нейтрино. Обнаружить же тау-нейтрино в Super-K было не так просто.

Самая интересная загадка оказалась связана с тем, откуда прибывают нейтрино. Космические лучи с равной интенсивностью бомбардируют всю земную атмосферу, поэтому количество столкновений этих лучей с атмосферными атомами также должно быть примерно равным в любой точке неба. Действительно, исследователи, работавшие с Super-K, зафиксировали практически одинаковые количества электронных нейтрино, приходящих и сверху (с неба), и снизу (с другой стороны земного шара). Однако в случае с мюонными нейтрино такое равенство не соблюдалось: лишь каждый третий мюонный нейтрино прилетал из-под земли, а все остальные нейтрино этого сорта «сыпались» с неба. Исследователи с Super-K предположили, что мюонные нейтрино каким-то образом исчезают, пролетая сквозь толщу земного шара. «Мы поняли: нет дыма без огня», – так образно охарактеризовал эту ситуацию Эд Кёрнс из Бостонского университета, работавший в коллаборации Super-K. Ученые пришли к выводу, что, скорее всего, мюонные нейтрино меняли аромат, превращаясь в тау-нейтрино, которые плохо фиксировались в Super-K. Благодаря этим открытиям в последние годы XX в. все больше представителей физического сообщества склонялись к мысли, что именно осцилляция позволяет объяснить аномалии в соотношении сортов атмосферных нейтрино, а также наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино.

Правда, тот факт, что некоторые нейтрино буквально исчезают в полете, нельзя было считать прямым доказательством перехода нейтрино из одной разновидности в другую. Чтобы убедиться в верности такой интерпретации, физики должны были определить, во что превращаются солнечные электронные нейтрино, либо как минимум изучить электронные нейтрино отдельно от других ароматов. Именно для этой цели была построена нейтринная обсерватория Sudbury (SNO), оборудованная в действующей никелевой шахте на севере канадской провинции Онтарио. Детектор SNO был призван решить проблему солнечных нейтрино раз и навсегда. Позже эта лаборатория была расширена до целого научного комплекса, получившего название SNOLAB.

Директор SNOLAB Найджел Смит согласился устроить мне экскурсию по этой лаборатории. В один из поздних ноябрьских вечеров 2010 г. я отправился из Торонто в Садбери. Четыре часа провел за рулем, следуя на север, время от времени попадая в метель. На следующее утро в предрассветной тьме, не надеясь на GPS-навигатор, я едва нашел дорогу от дешевого отеля (где останавливался на ночь) до комплекса SNOLAB. Однако я ухитрился прибыть на место как раз вовремя, к моменту отправления последнего лифта, уходившего на глубину. На часах было семь утра.

В рабочей раздевалке на первом подземном этаже мы с Найджелом Смитом облачились в голубые комбинезоны и ботинки с армированными носами. Смит закрепил на каске шахтерский фонарь, на ремне – аккумулятор, мне велел сделать то же самое. Мы оставили на специальном колышке две метки – одну для Смита, другую для «посетителя», чтобы в случае нештатной ситуации было проще определить, сколько человек осталось в шахте. Затем мы вошли в темный скрипучий лифт, подвешенный на тросе толщиной почти с мою руку. Вместе с нами в открытую клеть погрузились еще человек двадцать шахтеров. Наш спуск в глубины начался медленно, но затем ускорился. Горняцкие фонари у нас на касках светили довольно тускло, мы видели только пролетавшие мимо нас каменные стены шахтного ствола. Клеть несколько раз останавливалась, группы шахтеров удалялись на работу в штреки. Я мельком заглядывал в освещенные туннели, горизонтально отходившие вдаль от ствола шахты. Примерно на полпути вниз барабанные перепонки уже стали ощущать возросшее давление, поэтому я немного пожевал и натужно зевнул. На последней остановке, около двух километров под землей, вышли мы со Смитом и несколько шахтеров. Наш спуск с учетом всех попутных остановок продлился около 10 минут.

Правда, на этом наше путешествие далеко не закончилось; нам предстояло пройти еще около 1,5 км по грязному тоннелю, отделявшему нас от SNOLAB. К счастью, система железобетонных стоек, анкерных крепей и стальных щитов надежно держала массу нависавших над нами горных пород, не давая им обрушиться под давлением, а вентиляционная система хорошо продувала тоннель – иначе мы бы рисковали свариться здесь от духоты. Горняки разошлись в боковые туннели добывать никель (ведь именно ради этого металла когда-то была прорыта шахта), а мы со Смитом все шли прямо вдоль узкоколейки для вагонеток. Наконец мы достигли таблички, на которой красовалась надпись: «SNOLAB: mining for knowledge»[27]. Мы стояли у дверей самой глубокой в мире исследовательской лаборатории. Смыли грязь с сапог специальным шлангом, а затем открыли ярко-голубую дверь. Я сразу же остолбенел от неожиданного контраста: передо мной предстал чистейший лабораторный отсек, потолок без единого пятнышка, блестящие стены, воздух даже без намека на пыль. Все это абсолютно не сочеталось с мрачной шахтой, которую мы только что миновали. Прежде чем двигаться дальше, мы приняли душ и переоделись в свежие комбинезоны, бахилы, надели сеточки для волос. Последним этапом этого затейливого ритуала очищения перед вступлением в «святая святых» стал воздушный душ – мы избавились от последних пылинок, которые могли на нас остаться, чтобы не нарушить стерильность SNOLAB и не смазать филигранные эксперименты, которые там проводятся. Эта лаборатория эксплуатируется в стерильном режиме, воздух постоянно фильтруется. Все и всё, что попадает в этот комплекс, подлежат тщательной очистке. В частности, в лабораторию не должны проникнуть даже мельчайшие количества радиоактивных элементов, которые изобилуют в шахтной пыли; эти элементы могут спровоцировать интерференцию при измерении нейтринных сигналов.

Будучи внутри этой лаборатории – например, проходя мимо стоек с электронным оборудованием, нашпигованным мерцающими индикаторами, либо перекусывая в столовой вместе с другими учеными, – сразу забываешь, что ты находишься глубоко под землей, а над тобой – 2 км горных пород. Даже если в лифте или в туннеле на тебя накатывают приступы клаустрофобии, здесь это ощущение проходит. Да, заметно отсутствие окон и солнечного света – поэтому кажется иронией судьбы, что эта лаборатория была выстроена именно для наблюдения за частицами, прилетающими с самого Солнца. В середине 1980-х 16 ученых собрались вместе и предложили построить SNO. В этой лаборатории планировалось ловить хотя бы единичные частицы из того множества нейтрино, которые сплошным потоком струятся с Солнца и проникают через горные породы столь же легко, как свет сквозь оконное стекло.

Среди этих ученых был и Арт Макдональд, в ту пору работавший профессором в Принстонском университете. Макдональд вырос на восточном берегу острова Кейп-Бретон в Новой Шотландии. Он всегда интересовался тем, как устроены разные вещи. Ребенком Арт с удовольствием разбирал часы и пытался вновь собрать их. Позже Арт стал физиком и, вооружившись математикой, стремился познать законы природы. Он вернулся в Канаду в 1989 г., принял пост профессора в Университете Куинс и встал во главе проекта SNO. Спустя два года ему и коллегам удалось выбить достаточное финансирование, чтобы воплотить общую мечту: построить глубоко под землей мощную нейтринную обсерваторию.

Детектор SNO на этапе установки

(Lawrence Berkeley National Laboratory)

Настоящим сердцем нейтринного детектора SNO является гигантский цилиндрический сосуд, выполненный из прозрачного акрила. Исследователи наполнили его не обычной водой, а залили в сосуд тысячу тонн тяжелой воды. В молекуле тяжелой воды вместо обычного водорода содержится дейтерий – в этом изотопе водорода присутствует не один протон, а протон и нейтрон. Исследователи очистили тяжелую воду, чтобы удалить из нее не только примеси, но и следы радиоактивных газов. Акриловый сосуд заключен в геодезическом куполе, во внутренней поверхности которого встроены 9600 ФЭУ, постоянно отслеживающих взаимодействия воды с нейтрино. Весь этот исследовательский аппарат развернут в глубокой подземной полости, которая могла бы вместить в себя целый собор. Будучи в лаборатории, я смог взглянуть на эту установку сверху. Строительство SNO продлилось более девяти лет и обошлось в 70 млн канадских долларов – не считая еще 200 млн, выделенных компанией Atomic Energy of Canada на приобретение необходимого объема тяжелой воды. Проект не обошелся без некоторых заминок, но уже летом 1999 г. детектор SNO начал получать лабораторные данные.

Спустя два года Арт Макдональд объявил о первых результатах эксперимента, полученных в ходе регистрации взаимодействий между нейтрино и тяжелой водой на протяжении 241 суток. Сравнив количество нейтрино, зарегистрированных в SNO и Super-K, Арт и коллеги пришли к выводу, что некоторые нейтрино, по всей вероятности, действительно меняют аромат. «Мы разгадали тайну недостающих солнечных нейтрино, которая оставалась нераскрытой в течение тридцати лет, – сказал он в одном из интервью. – Теперь мы практически уверены, что наблюдавшийся дефицит связан не с ошибочностью теоретических моделей Солнца, а с изменениями, которые претерпевают сами нейтрино на пути от Солнца к Земле». Эти результаты подстегнули интерес к исследованию осцилляций нейтрино, а также заставили вновь задуматься о том, обладают ли нейтрино ненулевой массой.

Необходимо признать, что это было существенное достижение, однако оно далеко не решило всех проблем. Идеальной проверкой для SNO был бы опыт по измерению всех трех ароматов нейтрино, без необходимости сравнения результатов этой обсерватории с данными из Super-K. Именно эту задачу и поставили перед собой канадские физики. В течение следующего года они предоставили точные данные о том, сколько нейтрино каждого из ароматов удалось зафиксировать. Суммарные результаты полностью совпали с теми, что были теоретически предсказаны в модели Джона Бакала. Действительно, электронные нейтрино составляли лишь треть от всех, прилетающих к нам от Солнца. Остальные две трети приходились на мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, удалось доказать, что образующиеся на Солнце электронные нейтрино по пути к Земле действительно меняют аромат. Физик Эд Кёрнс из Бостонского университета объясняет: «Super-K фактически сообщил нам только общий баланс на счете, а SNO позволил изучить и приходную, и расходную часть».

Эти открытия полностью подтвердили правоту Дэвиса и Бакала. Измерения Дэвиса и расчеты Бакала относительно солнечных нейтрино с самого начала были правильными. На самом деле совпадение между прогнозом Бакала и количеством нейтрино, отловленных в SNO, оказалось удивительно точным. Сам Джон был настолько окрылен сознанием собственной правоты, что даже признался одному журналисту: «Было такое ощущение, словно я танцую». Позже Бакал говорил: «Представьте, 30 лет все указывали на меня пальцем и говорили: “Это тот самый парень, который неверно рассчитал поток нейтрино от Солнца” – и вдруг оказалось, что я прав. Все равно как если бы человека давным-давно осудили за какое-то гнусное преступление, а затем сделали анализ ДНК и выяснили, что он, оказывается, невиновен. Именно так я себя тогда чувствовал». Наконец-то астрономы могли с полным правом сказать, что вполне понимают, как именно на Солнце образуется энергия. Кроме того, теперь у них появился новый метод, позволяющий измерить температуру в недрах Солнца – за миллионы километров от нас. Дело в том, что количество солнечных нейтрино, образующихся каждую секунду, значительно меняется в зависимости от температуры ядра. Физики получили важнейшие подтверждения правильности прогнозов Понтекорво: оказалось, что нейтрино действительно меняют аромат и имеют ненулевую массу, хотя это и противоречит стандартной модели.

Вероятно, эти открытия очень впечатлили и весь Нобелевский комитет: в 2002 г. за свои исторические достижения половину Нобелевской премии по физике поделили Рэй Дэвис и Масатоси Косиба из лаборатории Kamiokande. Премия была вручена с формулировкой «за первый весомый вклад в астрофизику, в части обнаружения космического нейтрино». Джон Бакал награжден не был, несмотря на поразительное подтверждение его гипотетической солнечной модели. Многие коллеги сочли, что Бакала несправедливо обделили.

Среди физиков распространено мнение, что в будущем Нобелевский комитет также планирует вручить еще одну премию – за открытие осцилляций нейтрино. В конце концов, Нобелевская премия 2002 г. была присуждена за экспериментальное обнаружение нейтрино и соответствующий вклад в астрофизику, а не за открытие изменчивости этих частиц. Эд Кёрнс полагает, что присуждение Нобелевской премии за открытие осцилляций нейтрино – это «вопрос времени». Угадывание будущих лауреатов – излюбленная кулуарная игра в физическом научном сообществе. Кёрнс и некоторые его единомышленники полагают, что хотя бы часть этой потенциальной премии должна быть присуждена Арту Макдональду, лидеру команды SNO. Не столь понятно, кто из группы Super-K может рассчитывать на часть этой премии, поскольку руководитель лаборатории Ёдзи Тоцука умер в 2008 г. Следующими вероятными кандидатами являются Ёитиро Судзуки и Такааки Кадзита – они оба сделали большой вклад в работу Super-K. «Было бы здорово, если бы премию присудили всем троим. Каждый октябрь я с нетерпением жду, вдруг это произойдет», – признался мне Кёрнс. Джон Лирнид из Гавайского университета согласен с Кёрнсом по двум из этих кандидатов – Макдональду и Кадзите, но считает, что третья часть премии должна достаться Ацуто Судзуки, физику из лаборатории KamLAND, где изучаются осцилляции нейтрино, образующихся в ядерном реакторе.

Открытие осцилляций нейтрино имеет для науки далекоидущие последствия. Во-первых, факт осцилляций означает, что нейтрино обладают массой, несмотря на то, что это противоречит Стандартной модели. Следовательно, у нас есть первое весомое доказательство в пользу неполноты этой модели. Во-вторых, измерение осцилляций нейтрино открывает перед нами путь к «новой физике» – этим термином обобщенно именуют все феномены, которые не учитываются в стандартной модели. Карстен Хигер, физик из Висконсинского университета в Мадисоне, в разговоре со мной сказал следующее: «Традиционная физика частиц всегда лишь подтверждала Стандартную модель. Осцилляции нейтрино стали первым признаком того, что физика не ограничена Стандартной моделью. Это открытие – настоящий прорыв в физической дисциплине».

Открытие массы у нейтрино представляет интерес и для космологии. Нейтрино – вторые по распространенности частицы во Вселенной (после фотонов), поэтому если каждый нейтрино обладает хотя бы минимальной массой, то общая масса этих частиц может оказаться довольно значительной. Некоторые специалисты по космологии надеялись, что именно из нейтрино может состоять таинственная темная материя, факт существования которой известен только по гравитационному воздействию этой материи на галактики и скопления галактик. Однако масса нейтрино все-таки слишком ничтожна, чтобы именно на нейтрино могла приходиться вся темная материя. Таким образом, должна существовать какая-то другая частица (или частицы), еще неизвестные физической науке. Охота продолжается, но подходящая «дичь» пока не найдена.

Открытия, сделанные в лаборатории Super-K и SNO, подготовили почву для новых экспериментов с нейтрино. Цель этих экспериментов заключается в точном измерении того, как именно нейтрино переходят из одного аромата в другой. Физики часто характеризуют такие осцилляции в контексте параметров, называемых «углы смешивания». В схожем контексте принято описывать аэродинамику самолета, в которой различаются параметры «тангаж», «крен» и «рыскание». Два из трех углов смешивания удалось измерить в лабораториях Super-K и SNO, а величина третьего, называемого «Ө13» (тета-один-три), оставалось неизвестной. Измерив все три угла смешивания, физики смогут точно определить попарные разности масс трех состояний нейтрино. Более того, в этом случае нас, вероятно, ждут новые интересные открытия в области новой физики, связанные с мельчайшими деталями преобразований нейтрино. В настоящее время ученые активно ищут ответ на вопрос, совпадают ли свойства нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино – аналог нейтрино, состоящий из антивещества. Если эти свойства не совпадают, то понимание различий между нейтрино и антинейтрино может оказаться важнейшим шагом к ответу на вопрос: почему во Вселенной наблюдается настолько больше вещества, чем антивещества? Мы подробнее обсудим эту проблему в главе 7. Второй актуальный вопрос, стоящий перед физиками, – существуют ли и другие ароматы нейтрино кроме известных трех? Некоторые экзотические теории предполагают существование четвертого аромата, условно именуемого «стерильные нейтрино». Такие нейтрино якобы вообще не взаимодействуют с материей, но их можно обнаружить косвенными методами. Вероятно, обнаружить этот наиболее инертный сорт нейтрино будет гораздо сложнее, чем остальные. Но с космологической точки зрения стерильные нейтрино могут играть заметную роль, если их общая масса достаточно велика и сопоставима с массой темной материи.

В новейших экспериментах по изучению осцилляций используются нейтрино техногенного происхождения – в частности, получаемые из ядерных реакторов и ускорителей частиц, – а не солнечные или атмосферные нейтрино, как в лабораториях Super-K и SNO. Вскоре после открытия осцилляции солнечных нейтрино японские физики подтвердили реальность этого феномена, измеряя нейтрино из ядерных реакторов, расположенных в районе Камиока. Действительно, через детектор прошла лишь часть испущенных нейтрино, в согласии с представлением о том, что по дороге от реактора часть из них сменила аромат. В ускорителях образуются целые лучи нейтрино; благодаря этому ученые могут с точностью определять количество, типы и энергии этих частиц. В США был поставлен эксперимент MINOS, в ходе которого луч нейтрино из лаборатории Fermilab близ Чикаго направляли в детектор, расположенный на севере штата Миннесота примерно в 720 км от лаборатории в заброшенном железном руднике Судан. MINOS также зафиксировал осцилляции нейтрино.

Один из крупнейших нейтринных экспериментов, ведущихся в настоящее время, называется «T2K», – эта аббревиатура означает «Токай – Камиока». В ходе эксперимента мощный луч нейтрино направляется через японский остров Хонсю. Ускоритель частиц, где образуются нейтрино, расположен в городе Токай на восточном побережье Японии, а детектор находится в районе Камиока на западе острова, примерно в 290 км от Токая. Кстати, город Токай в Японии довольно известен – именно на него в нескольких японских фильмах нападает монстр Годзилла. Строительство и последующая эксплуатация этого комплекса осуществляется международной коллаборацией, в которой заняты около 500 ученых из 12 стран. Сбор экспериментальных данных начался в январе 2010 г. Предполагалось, что первые результаты будут объявлены на семинаре в Токио, который был запланирован на 11 марта 2011 г. в 15.00 по токийскому времени. Однако всего за 14 минут до начала этого мероприятия на северо-восточном побережье Японии разразилось катастрофическое землетрясение силой 9 баллов по шкале Рихтера. Это было сильнейшее землетрясение, когда-либо зарегистрированное в стране, на берег обрушились опустошительные цунами. По сделанным впоследствии оценкам, общее количество жертв землетрясения и цунами составило более 15 000 человек, а суммарный экономический ущерб превысил $200 млрд. Самой серьезной катастрофой в ходе этих событий стала авария на атомной станции «Фукусима», где из-за волн цунами остались без электропитания охладительные системы реактора, причем стихия уничтожила даже резервные дизельные генераторы.

Брайан Кирби, аспирант из Университета Британской Колумбии (UBC) в Канаде, прибыл в Токай за день до землетрясения, чтобы заступить на двухнедельную смену в аппаратном зале нейтринной лаборатории. Когда днем 11 марта все здание внезапно затряслось, он и еще несколько сотрудников спрятались под столом. «Толчки продолжались довольно долго», – вспоминал Брайан. Вскоре отключилось электричество. Когда толчки поутихли, Кирби с коллегами выбрались наружу. «Еще несколько минут продолжались афтершоки[28], земля казалась зыбкой», – рассказывает Кирби. Он не представлял, на каком расстоянии от эпицентра расположен Токай, каким разрушительным оказалось это землетрясение в районе города Сендай, всего в 200 км севернее. Убедившись, что стихия улеглась, Брайан с коллегами сели на велосипеды, покатили к дому, который арендовали неподалеку, и устроили барбекю, пока запасенные продукты в холодильнике не испортились – ведь электричества не было.

Спустя несколько часов в Ванкувере Скотта Озера разбудила жена и рассказала, что в Японии произошло сильное землетрясение. Озер работал профессором в университете Британской Колумбии – именно он был канадским представителем коллаборации T2K, выполнявшим обязанности спикера, и именно под его руководством Кирби защитил диссертацию. Озер открыл онлайновую карту и убедился, что эпицентр землетрясения был не так далеко от Токая. Он сразу же проверил электронную почту, надеясь найти в ящике письмо от своего аспиранта. Озер обнаружил массу сообщений от коллег по T2K, работавших за пределами Японии, а последнее письмо в папке «Входящие» было как раз от перепуганной матери Брайана Кирби. Озер послал ей японский номер мобильника Кирби и попытался позвонить парню сам. К удивлению и облегчению профессора, Кирби поднял трубку. Аспирант сообщил, что у него все нормально, только нет электричества, Интернета и батарея в телефоне садится. Сотрудники T2K организовали эвакуацию коллег из Токая вглубь острова, а затем и из Японии. Кирби покинул Японию спустя несколько дней.

Оставалось только гадать, в каком состоянии оказался эксперимент T2K. Озер признался: «Мы не питали надежд, что после девятибалльного землетрясения что-то могло уцелеть. По дорогам было невозможно проехать, несколько недель не было электричества, поэтому прошло немало времени, пока мы смогли отправить человека в Токай – проверить, в каком состоянии лаборатория». К счастью, разрушения оказались гораздо меньше, чем могло показаться. Здания, крепко вмурованные в породу, большей частью остались неповрежденными, но многие окружающие подъездные пути провалились, оборвались некоторые силовые кабели, была выведена из строя водяная система охлаждения комплекса. Благодаря барьерам от цунами морские волны не попали в лабораторию. Тем не менее ремонт продлился более года. Сбор данных в эксперименте T2K возобновился лишь в апреле 2012 г.

Согласно тем данным, которые были получены до землетрясения и анонсированы в июне 2011 г., некоторые мюонные нейтрино действительно превращаются в электронные. Более ранние исследования, проводившиеся в SNO и Super-K, позволили зарегистрировать два других вида осцилляций нейтрино, однако непосредственно наблюдать превращение третьего типа удалось только в T2K. Из множества мюонных нейтрино, полученных в Токае, 88 попали и в детектор Камиока, расположенный примерно в 290 км к западу. Причем шесть из этих 88 оказались в Камиока, уже будучи электронными нейтрино, хотя исходный луч состоял лишь из мюонных нейтрино. Очевидно, эти шесть частиц изменили аромат по пути. Эд Кёрнс признавался: «Хотя мы и изучаем осцилляции нейтрино уже долгие годы, эти шесть превращений воспринимались с глубоким трепетом». Линдли Уинслоу из Массачусетского технологического института также считает, что обнаружение этих шести частиц является важной вехой в физике нейтрино; по ее словам, это «шесть самых популярных событий, связанных с нейтрино». Эти первые результаты T2K оказались явно недостаточными, чтобы точно измерить значение третьего угла смешивания; все-таки шесть актов осцилляции – это очень мало. Однако данные результаты позволили убедиться, что величина Ө13 действительно не равна нулю. В свою очередь, это позволяет предположить, что нейтрино и антинейтрино отличаются по свойствам, в частности по-разному взаимодействуют с материей.

Три других эксперимента, связанные с уточнением Ө13, велись по горячим следам опытов с T2K. Один из них проводится в деревушке Шо на северо-востоке Франции; физики измеряют свойства нейтрино, образующихся в промышленном ядерном реакторе в ходе его эксплуатации. Ученые установили один детектор в непосредственной близости от реактора, а второй – на расстоянии 1 км от первого, чтобы можно было измерить темпы исчезновения электронных нейтрино. Осенью 2011 г. физики сообщили о результатах первых 100 дней эксперимента Double Chooz – он получил такое название, поскольку в Шо установлено два детектора. Измерения, выполненные французской группой, дали независимое подтверждение тому, что значение Ө13 действительно ненулевое, но не позволили с достаточной точностью определить это значение. Другой эксперимент, поставленный в бухте Дайя-Бэй в Китае, более чувствителен к таким изменениям. Дело в том, что в Дайя-Бэй установлен один из самых мощных промышленных ядерных реакторов в мире; не менее удобно, что огромные детекторы установлены глубоко под землей, благодаря чему удается по максимуму исключить помехи, связанные с космическими лучами. Проанализировав данные, полученные в Дайя-Бэй всего за два месяца, коллаборация Дайя-Бэй уже в марте 2012 г. объявила, что их эксперимент впервые позволил вполне точно измерить значение Ө13. Ученые выяснили, что около 6 % электронных нейтрино успевают исчезнуть на пути между реакторами и детекторами, протяженность которого составляет примерно 2 км. Примерно через месяц третий эксперимент под названием RENO[29], поставленный в Южной Корее, подтвердил результаты, полученные в Дайя-Бэй, хотя и с меньшей точностью. Кам-Бю Люк, спикер коллаборации Дайя-Бэй, работающий в США, сообщает: «Оказывается, что значение Ө13 довольно внушительное. Это сюрприз, причем приятный». Он считает, что «это открытие позволяет ученым совершенно по-новому взглянуть на многие вещи. Так, физики-теоретики наконец смогут выйти за рамки Стандартной модели».

Джанет Конрад из Массачусетского технологического института, работающая на эксперименте Double Chooz, также с воодушевлением воспринимает зарождающуюся «точную физику нейтрино». Конрад, выросшая на севере штата Огайо, в детстве увлекалась фантастическим сериалом «Звездный путь», любила смотреть на звезды в телескоп, который был у ее друга. Она мечтала стать астрономом или офицером по науке на звездолете. Правда, когда Джанет познакомилась с книгами о Нэнси Дрю[30] и Шерлоке Холмсе, ее предпочтения изменились: теперь она подумывала о карьере сыщика. Однако впоследствии мечты о небе вновь привели Джанет к науке. Будучи подростком, Конрад просыпалась в предрассветный час, чтобы опрыскать теплой водой сортовые георгины, которые выращивала в саду вместе с отцом (ученым-агрономом) для выставок. Однажды утром, когда в лицо уже веял прохладный осенний ветер, ей довелось увидеть северное сияние. Девушка была просто зачарована ярким зрелищем, которое возникает из-за того, что прилетающие с Солнца заряженные частицы бомбардируют земную атмосферу. Она вспоминает, что эти зори были «такими невероятно прекрасными, такими захватывающими».

Позже, будучи студенткой колледжа Свартмор, Конрад посещала курс квантовой механики и очень интересовалась новейшими исследованиями, связанными с субатомным миром. Она смогла попасть на летнюю практику в Гарвард, где стала работать в лаборатории; там она участвовала в изучении свойств пучков частиц, генерируемых на циклотроне, в частности, их применения для лечения рака глаз. Но лишь на третьем курсе, после визита в лабораторию Fermilab, Конрад окончательно определилась со сферой своих научных интересов. В настоящее время Конрад занимает пост профессора в Массачусетском технологическом институте, где занимается проблемами нейтрино. Конрад удается сочетать любовь к науке и страсть к разгадыванию тайн. Однажды она образно отметила: «Детектив может и не быть ученым, но ученый – обязательно детектив». Она считает, что нейтрино могут дать ключ к решению величайших космологических загадок, и оптимистически смотрит в будущее – по мнению Конрад, в ближайшие 10 лет нас ожидают фундаментальные открытия в этой области. «Мы подходим к самому интересному. Потребовалось немало времени, чтобы достичь этого этапа, но сегодня мы можем находить ответы на важнейшие вопросы, подкрепляя их точными измерениями», – считает она.

Действительно, физики проделали долгий путь с тех пор, как Бруно Понтекорво впервые предположил, что нейтрино могут страдать от своеобразного «раздвоения личности». Благодаря открытиям, совершенным в Kamiokande и SNO, эти неутомимые исследователи смогли решить нелегкую проблему дефицита солнечных нейтрино, с которой не один десяток лет тягались Рэй Дэвис и Джон Бакал, рискуя собственной репутацией. Кроме того, охотники за нейтрино установили, что у этих частиц действительно есть масса – чем впервые доказали, что физика не ограничивается Стандартной моделью. Также удалось открыть, что нейтрино трех сортов могут превращаться друг в друга, меняя аромат. При помощи разнообразных высокоточных экспериментов ученые все точнее разбираются в деталях причудливых свойств этих частиц-хамелеонов. При этом они не только раздвигают границы фундаментальной физики, но и разрабатывают ценный инструментарий для космологии и астрофизики. В следующей главе мы поговорим о том, как астрономы при помощи нейтрино анализируют колоссальные взрывы, происходящие во Вселенной.

Глава 6

Взрывающиеся звезды

Ла-Серена – тихий приморский городок, расположенный примерно в 500 км от чилийской столицы Сантьяго. Лишь на пару месяцев в году, во время курортного сезона, Ла-Серена оживает, принимая множество отпускников. Большинство гостей приезжают сюда позагорать на золотых пляжах, некоторых привлекает неоколониальная архитектура города, а также его окрестности; этот район славится своими винодельнями, где варят писко – крепкий алкогольный виноградный напиток. До сих пор между чилийцами и перуанцами не утихают споры о том, в какой из двух стран был впервые приготовлен этот напиток. Севернее Ла-Серены пролегает легендарная трасса – Панамериканское шоссе. Именно здесь дорога постепенно идет вверх, извиваясь вдоль склонов Андского хребта, пересекая сухие речные долины, усыпанные валунами. Кроме колючего кустарника и кактусов здесь почти нет зелени. Между камней у дороги иногда проскочит вискача – грызун, похожий на кролика, над головой время от времени можно заметить парящего ястреба. Примерно через 130 км после выезда из города дорога сворачивает вправо к горам. Уже с развилки можно заметить группу белых куполов, как будто из сказки, – они вырисовываются на фоне неба и видны издалека. Последний рывок на вершину Лас-Кампанас пролегает по крутой узкой дороге, высеченной в горном склоне, – и вот астрономы наконец оказываются на горном пике высотой 2282 м. Днем с вершины открывается живописный вид, но он не выдерживает никакого сравнения с завораживающим ночным зрелищем, когда через все небо перекидывается искрящаяся звездами дуга Млечного Пути, а сбоку от него просматриваются два размытых ярких пятна – Магеллановы облака, Малое и Большое.

В ночь с 23 на 24 февраля 1987 г. здесь в Лас-Кампанасе находился Иэн Шелтон – 30-летний канадец родом из города Виннипег. В этой обсерватории он работал в качестве постоянного наблюдателя на небольшом 600-мм телескопе, принадлежащем Университету Торонто. Шелтон не только успевал регистрировать данные, которые требовались торонтским астрономам, но и находил время повозиться с еще одним телескопом поменьше – 250 мм, также установленным на этой горе. Возраст телескопа был уже значительным – более полувека. Он был установлен в небольшом сарае, причем даже не имел автогида для отслеживания звезд, поэтому Шелтону приходилось следить за небом вручную. В ту ночь Шелтон в очередной раз направил маленький телескоп на Большое Магелланово Облако – одну из галактик-спутников Млечного Пути. Длительные экспозиции этой карликовой галактики Шелтон запечатлевал на старомодных фотопластинках; затем он собирался изучить полученные снимки и поискать в глубинах Облака переменные звезды.

В предрассветный час 24 февраля, уже собираясь идти спать, Шелтон решил проявить последнюю фотопластинку, отснятую этой ночью. Он извлек пластинку из проявочного бачка и присмотрелся к ней – хотел проверить, насколько правильная была экспозиция. Тут он обратил внимание на странную деталь – необычное яркое пятно рядом с хорошо известной туманностью Тарантул (по форме она действительно напоминает паука). Ученый задумался, что бы это могло быть, и решил, что ему просто попалась дефектная пластинка. Просто чтобы лишний раз в этом удостовериться, он вышел на чистый сухой горный воздух и взглянул на небо невооруженным глазом. В Большом Магеллановом Облаке он сразу заметил яркую звезду, которой там не было еще прошлой ночью. Шелтон поспешил к еще одному телескопу, расположенному рядом на горном кряже, чтобы поделиться этой новостью. Шелтон рассказал о своей загадочной находке двум другим астрономам, дежурившим на контрольном пункте, – Барри Мадоре и Уильяму Кункелю. Пока они об этом беседовали, чилиец Оскар Духальде – оператор телескопа – добавил, что и он несколько часов назад заметил эту звезду, когда выходил на улицу подышать воздухом. Все четверо пришли к выводу, что перед ними – сверхновая. Так называется взорвавшаяся звезда, которая в течение короткого времени может сиять ярче, чем миллиарды солнц. Астрономия не знает каких-либо иных небесных тел, чья яркость может меняться так плавно и при этом быстро. Еще вчера ночью будущую сверхновую не мог зарегистрировать телескоп, а уже сегодня она легко видна невооруженным глазом. Оставалось признать, что Шелтон и Духальде действительно открыли сверхновую, взорвавшуюся в галактике-спутнике Млечного Пути.

На противоположном берегу Тихого океана, в приморском новозеландском городке Нельсон той ночью не спал еще один человек – бывший лавочник и страстный астроном-любитель Альберт Джонс. Джонс тоже высматривал переменные звезды в Большом Магеллановом Облаке. Будучи настоящим энтузиастом, он то и дело засиживался за телескопом, который установил у себя на заднем дворе, и глядел в небеса. В ночь на 24 февраля Джонс заметил яркую голубую звезду, явно не относившуюся к Большому Магеллановому Облаку. Он был уверен, что ранее точно не видел этой звезды, поэтому отметил, какое положение она занимает относительно других звезд, расположенных в поле зрения. Прежде чем Альберт смог с уверенностью оценить яркость этой звезды, набежали облака, и звезда исчезла из вида. Джонс предположил, что это, вероятно, сверхновая, поэтому сообщил о ней другим астрономам, посоветовав им также отыскать эту звезду и следить за тем, как она будет меняться. Оказалось, что Джонс действительно открыл ту же самую сверхновую, которую заметили Шелтон и Духальде, – но совершенно независимо от них и на несколько часов раньше.

Сверхновая была замечена и в Австралии – новую звезду обнаружил Роберт Макнот, работавший в обсерватории Сайдинг-Спринг, расположенной примерно в 400 км от Сиднея. Макноту посчастливилось сфотографировать Большое Магелланово Облако в ту же ночь, что и Шелтону в Чили. Макнот сразу проявил фотопластинки с изображениями Облака, но был слишком занят другими делами, поэтому не успел их сразу как следует рассмотреть. Когда ему сообщили о сверхновой по телефону, Макнот помчался к своим пластинкам. На его фотографиях (некоторые из них были отсняты на 15 часов раньше шелтоновских) также просматривался небесный маяк, который было невозможно с чем-либо спутать. Макнот сравнил его положение с более ранними снимками этой области неба и заключил, что звезда расположена ровно на том же месте, где ранее находился голубой сверхгигант Sanduleak –69° 202; эта звезда давно фигурировала в каталогах, и астрономы ее изучали. Таким образом, впервые в истории удалось точно определить, какая именно звезда взорвалась; иными словами, в распоряжении ученых оказались фотографии звезды «до» и «после» взрыва. Астрономы смогли проследить последние стадии эволюции огромной звезды так точно, как никогда ранее.

К 10.00 24 февраля об этом открытии уже знали исследователи со всего мира – кому-то успели позвонить воодушевленные коллеги, другие получили телеграмму из Международного астрономического союза. Всеобщее ликование было связано и с тем, что сверхновая 1987А (именно под таким названием стала известна новая звезда) оказалась первой сверхновой, взорвавшейся в непосредственной близости от нашей Галактики со времен изобретения телескопа – то есть примерно за последние 400 лет. Это была самая яркая и близкая к нам сверхновая, которую удалось увидеть за последние 383 года – с тех пор как в 1604 г. Иоганн Кеплер невооруженным глазом наблюдал в нашей Галактике взрыв другой сверхновой. У астрономов появилась беспрецедентная возможность лицезреть агонию умирающей звезды. В течение следующих часов и дней остатки звезды постепенно растекались с места взрыва, смешиваясь с газом и пылью окружающего межзвездного пространства. Сама сверхновая становилась в нашем небе все менее и менее яркой.

Астрономы спешно задействовали в Южном полушарии целый арсенал мощных оптических, инфракрасных и радиотелескопов. К работе подключилось множество специалистов, особенно из Чили, Австралии и Южной Африки, где располагаются многочисленные современные наземные обсерватории. Исследования велись и при помощи специальной аппаратуры, установленной на борту космических кораблей, – речь идет о телескопах ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов. Объективы всех этих аппаратов были устремлены на Большое Магелланово Облако, где разворачивались беспрецедентные события. В этот период ученые работали не покладая рук, лишь немногие из них могли припомнить подобный аврал. Как восторженно выразился один астрофизик, работа кипела «словно под Рождество».

Джон Бакал, признанный эксперт по моделированию процессов, протекающих в глубине звезд, в тот период работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. Открытие сверхновой произвело на Бакала такое глубокое впечатление, что он даже потерял сон. Причем неслучайно: ведь Бакал знал, что самые первые и, пожалуй, наиболее важные предвестники этого космического катаклизма должны были появиться за несколько часов до того, как астрономы заметили в свои телескопы взрыв сверхновой. Бакал отлично понимал, что, согласно теоретическим моделям звездной эволюции, коллапс звездного ядра (финал существования массивной звезды) должен сопровождаться обильным выбросом нейтрино, которые мчатся из эпицентра взрыва, не встречая на пути практически никаких преград. Последний салют озарит небо позже, когда разлетится внешняя оболочка звезды. Спустя всего несколько минут после известия о сверхновой 1987А Бакал и двое его коллег взялись за расчеты: они собирались вычислить, сколько нейтрино должны были зафиксировать различные детекторы, расположенные по всей Земле. Изначально предполагалось, что эта сверхновая могла быть «ненастоящей»: то есть мы могли наблюдать не окончательную гибель огромной звезды, а так называемую «сверхновую типа 1а». В этом случае взрывается звездный огарок, так называемый белый карлик; это происходит, если он сможет перетянуть на себя достаточно много вещества от крупной звезды-соседки и в результате достигнет критической массы. Но астрономические наблюдения свидетельствовали об обратном, поэтому трое теоретиков взялись за дело. Они определили, что классический взрыв сверхновой должен дать небывалый улов нейтрино – как минимум несколько десятков зарегистрированных частиц. Не прошло и недели, как физики отправили статью с такими выводами в журнал Nature – поэтому их прогноз оказался опубликован раньше, чем были получены результаты из нейтринных обсерваторий.

Тем временем физики-экспериментаторы приступили к анализу данных, записанных на нескольких подземных детекторах по всему миру. Самые благоприятные условия для регистрации нейтрино от этой сверхновой сложились на детекторе Kamiokande; он представлял собой огромный резервуар чистой воды, в стенах которого находились тысячи ФЭУ, которые регистрировали вспышки света, возникающие при столкновении нейтрино с атомами в молекулах воды.

К счастью, этот детектор уже эксплуатировался на полную мощность после коренной доработки, законченной всего двумя месяцами ранее. Многие астрофизики не скрывали волнения, дожидаясь, пока члены коллаборации Kamiokande просканируют в Токио свои магнитные ленты с данными. Поскольку расчеты Бакала и других ученых позволяли предположить, что аппаратура действительно обладает достаточной чувствительностью, чтобы зарегистрировать нейтрино от сверхновой 1987А, отсутствие признаков нейтрино означало бы, что мы в корне неправильно представляем себе механизмы возникновения сверхновых.

Внутри нейтринного детектора Kamiokande

(Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo)

Пришли результаты. К огромному облегчению ученых во всем мире, в данных четко прослеживались нейтринные сигналы, в происхождении которых не приходилось сомневаться. Таким образом, Джон Бакал и его коллеги-астрофизики совершенно верно описывали, какие именно процессы протекают при взрыве сверхновой. ФЭУ в детекторе Kamiokande зафиксировали 11 вспышек за время всплеска, продолжавшегося несколько секунд. Это произошло примерно на три часа раньше, чем сверхновую наблюдали в оптические телескопы астрономы в Чили и Новой Зеландии. На другом краю света, близ Кливленда, аналогичный детектор нейтрино, расположенный в неглубоком соляном руднике под озером Эри, зафиксировал восемь вспышек – одновременно с Kamiokande. Позже стало известно, что еще один детектор (с керосином в качестве сцинтиллятора), расположенный в Баксанской нейтринной обсерватории на Кавказе, в России, зарегистрировал пять вспышек. Две дюжины вспышек, зафиксированных в ходе этих трех экспериментов, – следы лишь некоторых нейтрино, миллиарды и миллиарды которых пронеслись через недра нашей планеты, а возникли в самом сердце звездного взрыва, произошедшего в Большом Магеллановом Облаке. Все три упомянутые обсерватории расположены в Северном полушарии, а Магеллановы облака видны в Южном. Это означает, что нейтрино прошли нашу планету насквозь, прежде чем попали в детекторы. Бакал, воодушевленный экспериментальным подтверждением своих теоретических прогнозов, признался журналу Time, что участие в бурных научных событиях, связанных со сверхновой 1987А, казалось ему сказкой.

Может показаться, что общий улов в 24 частицы – не повод для гордости. Но важность этих нейтринных событий подчеркивается хотя бы тем, что впоследствии о них были написаны сотни научных статей. При взрыве сверхновой 1987А мы впервые наблюдали нейтрино, пришедшие к нам не с Солнца, а из другого звездного источника. Поэтому стоит ли удивляться, что японский физик Масатоси Косиба, лидер коллаборации Kamiokande, в 2002 г. получил четверть Нобелевской премии по физике – во многом за измерения этих нейтрино. Призрачные частицы, которые несколькими десятилетиями ранее на кончике пера открыл Вольфганг Паули, пытавшийся объяснить бета-распад, к концу XX в. стали для астрономов важными космическими посланцами, которые помогли понять жизненный цикл Солнца и других, более массивных звезд.

Адам Барроуз, физик из Принстонского университета, писал, что после обнаружения этих нейтрино «мы впервые смогли осознать, какие дикие спазмы сопровождают гибель звезды, тогда как ранее это было просто невозможно». Полученные результаты подтвердили общую картину гибели массивной звезды, израсходовавшей запасы ядерного топлива; физики-теоретики обрисовали этот процесс за десятилетия работы. Вот что сказал об этом Джон Биком, физик-теоретик из государственного Университета Огайо, изучающий связи между физикой частиц, астрофизикой и космологией: «Нейтрино позволяют нам заглянуть в недра огромных звезд, находящихся на пороге гибели. В подобных ситуациях астрофизики могут наблюдать явления, принципиально недоступные для обычной астрономии».

Алекс Фридленд из Национальной лаборатории Лос-Аламоса объясняет, что сверхновая – это, в сущности, «нейтринная бомба». Ведь при ее взрыве выделяется умопомрачительное количество этих частиц – 1058, то есть десять миллиардов триллионов триллионов триллионов триллионов нейтрино. Даже по астрономическим меркам это невероятно много. Фактически энергия, излучаемая несколько секунд в виде нейтрино, в несколько сотен раз превышает суммарную энергию Солнца, которую наша звезда успеет испустить в виде фотонов за всю свою жизнь (около 10 млрд лет). Более того, при взрыве сверхновой 99 % ее гравитационной энергии уходит на образование нейтрино разных ароматов, и лишь 0,5 % излучается в качестве видимого света.

Галактика Большое Магелланово Облако находится на расстоянии около 160 000 световых лет от нас. Это означает, что нейтрино, родившиеся при взрыве сверхновой и достигшие Земли в 1987 г., начали свой путь 160 000 лет назад. В те времена древние люди еще кочевали по Восточной Африке, а мохнатые мамонты топтали сибирскую тундру. Сама звезда Sanduleak –69° 202 запылала примерно на 11 млн лет ранее, примерно в те времена, когда по Земле начали расселяться стада степных млекопитающих, но еще до того, как поднялись Гималаи. В течение первых 10 млн лет своей жизни эта звезда подпитывалась энергией ядерных реакций, в ходе которых водород превращается в гелий – точно как на нашем Солнце. Эта энергия не позволяла звезде схлопнуться под действием собственного веса. Когда ядро звезды практически полностью состояло из гелия, выделение энергии приостановилось. Ядро больше не могло выдерживать гравитационное давление, поэтому сжалось и разогрелось. При этом внешние области звезды расширились, так как водород продолжал гореть в этих слоях, окружавших ядро, словно оболочка. Когда давление и температура в ядре звезды выросли еще сильнее, реакции ядерного синтеза начались в гелии – он стал превращаться в углерод и кислород. К тому времени звезда Sanduleak –69° 202, которая изначально была примерно в 20 раз массивнее Солнца, превратилась в красный сверхгигант – теперь она была примерно в 500 раз объемнее нашей звезды.

Выгорание гелия в ядре звезды продолжалось еще около миллиона лет, пока и это топливо не закончилось – гравитация вновь начала брать верх. Далее, насколько мы представляем себе звездную эволюцию, произошло следующее: ядро продолжало сжиматься до тех пор, пока не стало достаточно плотным и горячим для превращения углерода в неон, натрий и магний. К этому времени звезда, вероятно, уже потеряла часть своих раздутых внешних оболочек, а оставшееся небесное тело еще немного сжалось, и цвет его изменился с красного на голубой. Ход дальнейшей эволюции еще более ускорился. Углеродный синтез протекал около 12 000 лет. Затем звезда сожгла весь свой неон и кислород, оба этих этапа длились по несколько лет. Наконец в ядре остались в основном сера и кремний, примерно за неделю они превратились в железо. Предполагается, что на данном этапе звезда напоминает гигантскую луковицу – различные элементы послойно расположены вокруг ее железного ядра. Вот и все – дело в том, что железо не может превращаться в более тяжелые элементы, не потребляя энергию извне. Звезда более не могла сопротивляться гравитации. Конец был быстрым и ярким – в небе запылал факел, который удалось увидеть невооруженным глазом даже из соседней галактики – нашего Млечного Пути, правда, через 160 000 лет после описанных событий.

Ученые полагают, что нейтрино значительно приблизили гибель Sanduleak –69° 202. На углеродном этапе звездной эволюции, когда температура в ядре достигла 500 млн градусов, звезда испускала настолько высокоэнергетическое излучение, что оно привело к образованию электронно-позитронных пар (ведь, согласно эйнштейновскому уравнению E = mc2, энергия может превращаться в материю, и наоборот). Как правило, такие пары частица – античастица при столкновении аннигилируют, испуская гамма-лучи, но иногда в результате такого взаимодействия могут возникать пары нейтрино и антинейтрино. Поскольку нейтрино и антинейтрино редко взаимодействуют с окружающей материей, они должны ускользать из звезды, унося с собой часть энергии, которую звезда могла бы бросить на борьбу с гравитацией.

Более того, нейтрино могут играть важнейшую роль и при самом взрыве сверхновой. Когда железное ядро выгоревшей звезды достигает критической массы, примерно в 1,4 раза превышающей массу Солнца (это пороговое значение известно под названием «предел Чандрасекара», в честь индийского астрофизика, описавшего данный феномен), оно за доли секунды сжимается в миниатюрный шарик, имеющий всего лишь около 50 км в поперечнике. Экстремальные температуры способствуют обильному выделению энергии, в результате возникает еще больше пар нейтрино-антинейтрино. Эти частицы ускользают из ядра (на что у них уходит несколько долгих секунд, ведь плотность окружающего их вещества невероятно высока), унося с собой довольно много энергии. Тем временем свободные нейтроны, изобилующие в этой высокоэнергетической среде, сливаются с железными ядрами, в результате чего образуются еще более тяжелые элементы. Схлопывание прекращается, когда такой шар сравнивается по плотности с атомным ядром. В таком случае ядерные силы не позволяют протонам и нейтронам сколь-нибудь еще уплотниться. Фактически сжимающееся звездное ядро немного разбухает, сталкиваясь с устремляющимися к нему внешними оболочками и порождая мощную ударную волну. Но, согласно самым современным компьютерным моделям, эта взрывная волна быстро ослабевает.

Именно на этом этапе в игру вновь могут вступить нейтрино, которые словно приходят звезде на помощь. «Если даже ничтожная доля нейтрино, струящихся из звездного ядра, будет попадать в вещество непосредственно за гребнем останавливающейся ударной волной, подпитывая этот гребень своей энергией, то этого может быть достаточно, чтобы ударная волна снова пришла в движение», – объясняет Георг Раффельт, ученый из Института физики им. Макса Планка в Мюнхене. «Если бы не нейтрино, – подчеркивает он, – то вся звезда превратилась бы в черную дыру без каких-либо видимых фейерверков». Ожившая взрывная волна разносит во все стороны оставшиеся оболочки звезды. В результате тяжелые элементы до железа включительно и еще более тяжелые элементы, образующиеся при взрыве сверхновой, выбрасываются в космическое пространство. Часть такого обогащенного звездного вещества позже оказывается в составе звезд нового поколения и планет, которые их окружают. Эти атомы есть и в нашем теле. Кальций в наших костях, железо в нашей крови и кислород, которым мы дышим, – все это образовалось когда-то давно при взрывах сверхновых. Это же касается меди, из которой изготавливают проволоку, серебра, золота и платины, идущих на ювелирные украшения, галлия, используемого в электронике. Раффельт указывает: «Поскольку нейтрино играют важнейшую роль при звездных взрывах, мы обязаны этим частицам самим нашим существованием». Если бы не нейтрино, то Вселенная, возможно, была бы абсолютно пустой, неприглядной и совершенно непригодной для развития жизни.

Горстка нейтрино от взрыва сверхновой 1987А, которые нам удалось зафиксировать, вкупе с астрономическими наблюдениями послужила физикам-теоретикам отличным материалом для проведения масштабных и сложных моделирований на суперкомпьютерах. Задача этих моделей – продемонстрировать, как разрушается гигантская стареющая звезда, а ее ядро превращается в сверхплотный шарик из нейтронов (нейтронную звезду) или черную дыру. При этом внешние оболочки отслаиваются, образуя сияющее газопылевое облако. Сегодня, рассматривая один из снимков, полученных космическим телескопом «Хаббл», мы видим яркое кольцо и две словно переплетенные петли. Вероятно, это вещество, выброшенное звездой-прародительницей, а впоследствии подсвеченное ультрафиолетовым сиянием от взрыва сверхновой. Но в этой картинке недостает одной важнейшей детали. Учитывая примерную массу звезды-прародительницы, астрономы полагают, что ее ядро должно было превратиться в нейтронную звезду, но обнаружить эту звезду пока не удается. Возможно, эти звездные останки скрыты в облаке космической пыли.

Конечно, нам удалось зарегистрировать буквально считаные нейтрино, образовавшиеся при взрывах сверхновых. Тем не менее такие нейтрино позволили выяснить некоторые важные аспекты того, как именно взрывается массивная звезда на закате своего существования. Астрофизики, участвовавшие в этих исследованиях, с удовлетворением обнаружили, что количество зарегистрированных ими нейтрино и энергии этих частиц согласуются с прогнозируемыми характеристиками взрыва, полученными в результате теоретических расчетов. Поскольку теория и наблюдения в данном случае превосходно соответствовали друг другу, исследователи заключили, что сверхновая отнюдь не теряет энергию в ходе какого-то таинственного процесса. В частности, удалось исключить спекуляции о том, что нейтрино сами испускают гипотетические экзотические частицы, так называемые «аксионы», либо просачиваются в загадочные иные измерения. Прибытие некоторых нейтрино с запаздыванием в несколько секунд относительно основной массы подтвердило, что им требуется некоторое время, чтобы вырваться из исключительно плотного сжатого ядра – как и предполагалось.

Эти измерения не только поведали ценную информацию, касающуюся динамики сверхновых звезд, но и помогли ученым лучше понять природу самих нейтрино. Поскольку нейтрино попали на Землю более чем за три часа до того, как взрыв сверхновой удалось сфотографировать и наблюдать в оптические телескопы, можно было сделать вывод, что скорость нейтрино очень близка к скорости света. Чем легче частица, тем быстрее она перемещается, поэтому ученые предположили, что масса нейтрино очень мала. Исходя из того, сколько времени нейтрино затратили на путь от сверхновой 1987А до Земли, ученые пришли к выводу, что, несмотря на подлинное изобилие нейтрино, вряд ли именно из них состоит таинственная темная материя, наполняющая всю Вселенную. Более того (как вы уже знаете из главы 1), когда в 2011 г. в СМИ развернулась шумиха о том, что нейтрино якобы летят быстрее скорости света, один из наиболее серьезных контраргументов был связан именно с наблюдениями этой сверхновой. Если бы скорость нейтрино действительно превышала скорость света (о чем изначально сообщили ученые из коллаборации OPERA), то нейтрино со сверхновой 1987А должны были опередить видимый свет на целые годы, а не на три часа.

Сверхновая 1987А подогрела интерес астрофизиков к тому, какие именно процессы протекают в недрах умирающих звезд. «Вообразите, как много нового мы бы узнали, если бы смогли отловить тысячи нейтрино от какой-нибудь сверхновой, которая взорвалась бы поблизости от Земли», – размышляет Алекс Фридленд. Такое экстраординарное явление позволило бы нам не только проследить всю череду событий, разворачивающихся при таком взрыве, но и точно узнать, что же останется после взрыва: черная дыра или нейтронная звезда. Специалисты по физике частиц также интересуются нейтрино, приходящими от сверхновых, поскольку возникает редчайшая возможность наблюдать, как ведут себя эти частицы в экстремальных условиях, которые невозможно смоделировать в лаборатории.

Как астрофизики, так и специалисты по физике частиц смогут достичь многих упомянутых целей, если коллапс звездного ядра, сопровождаемый взрывом сверхновой, произойдет в нашей Галактике. Однако в Млечном Пути таких взрывов не наблюдалось с 1604 г., когда звездочеты (а также немецкий математик Иоганн Кеплер) заметили «новую звезду» в созвездии Змееносец. В апогее взрыва сверхновая сияла настолько ярко, что была видна даже днем. Современные телескопы – оптические, рентгеновские и радиотелескопы – позволяют наблюдать остатки этой сверхновой, которые представляют собой оболочку из раскаленного газа. Всего за три десятилетия до того, как в 1604 г. Кеплер наблюдал сверхновую, европейцы видели еще один такой взрыв. Легендарный датский астроном Тихо Браге наблюдал другую сверхновую в 1572 г. в созвездии Кассиопеи, о чем писал так: «Я заметил, что новая и необычная звезда, превосходящая все остальные звезды по блеску, сияет почти прямо над моей головой. Я был настолько изумлен этим зрелищем, что мне даже не было стыдно усомниться в достоверности моих собственных глаз. Но когда я увидел, что другие, когда им указывалось на место, могли видеть, что там действительно есть звезда, у меня не было больше сомнений». На самом деле наблюдения сверхновой, тщательно выполненные Тихо в 1572 г., впервые позволили понять, что небеса не неизменны – несмотря на то, что Аристотель утверждал обратное, а в XVI в. аристотелевскую точку зрения еще разделяли многие европейские философы.

Исторические документы и петроглифы позволяют заключить, что за последние несколько тысячелетий можно было наблюдать невооруженным глазом еще несколько сверхновых. Пожалуй, древнейшее такое свидетельство найдено в Китае: это запись, вытравленная на кости около 1300 г. до н. э. В ней упоминается «Великая новая звезда», которая была видна в небе рядом с другой яркой звездой – Антаресом. В китайской хронике «История династии Поздняя Хань» говорится о «звезде-гостье», которая появилась в 185 г., а затем медленно угасала в течение нескольких месяцев. В 1006 г. о сияющей сверхновой сообщают европейские монахи и египетский астролог; вероятно, это было самое зрелищное из когда-либо зафиксированных астрономических явлений. Хронист из бенедиктинского монастыря в швейцарском кантоне Санкт-Галлен так описывал это событие: «Явилась новая звезда невиданного размера, которая все время мерцала и слепила глаза, вызывая панику… она была видна около трех месяцев у южного края неба, за пределами всех созвездий, какие есть в небесах». Ученый Али ибн-Ридван, находившийся в Каире, писал: «Это чудо явилось в зодиакальном созвездии Скорпиона, в противостоянии Солнцу… Небо заметно посветлело из-за света звезды. Сила ее света немного превосходила четверть силы лунного». Сверхновая 1054 г., из расплывшихся остатков которой образовалась знаменитая Крабовидная туманность в созвездии Тельца, упоминается в китайских, японских и арабских хрониках. Некоторые ученые полагают, что и индейцы анасази, жившие на юго-западе североамериканского континента также запечатлели ее на своих наскальных рисунках.

В 1930-е гг. астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института пришли к выводу, что, поскольку сверхновые отлично видны на межгалактических расстояниях, они должны быть невероятно яркими. Бааде, родившийся в Германии, был щепетильным наблюдателем и вежливым любезным человеком. В Гамбурге он познакомился с Вольфгангом Паули, и они навсегда стали друзьями[31]. Паули и Бааде даже написали в соавторстве научную статью об изогнутых формах хвостов комет. Бааде перебрался в Калифорнию в 1931 г. и стал работать в обсерватории Маунт-Вилсон. В годы Второй мировой войны Бааде сохранил немецкое гражданство, поэтому находился под наблюдением спецслужб как потенциальный лазутчик. Он провел множество ночей за окуляром 2,5-метрового телескопа Хукер (на тот момент – крупнейшего в мире), делая снимки тусклых далеких галактик. Шла война, поэтому в расположенном неподалеку Лос-Анджелесе действовала светомаскировка, и заниматься астрономией было особенно удобно. Опираясь на работы Эдвина Хаббла, Бааде установил, что Вселенная гораздо обширнее, чем предполагалось ранее.

Цвикки, в отличие от своего коллеги, был человеком склочным и самоуверенным, любил называть своих врагов «сферическими ублюдками» («сферическими», объяснял он, так как они кажутся ублюдками, с какой стороны на них ни взгляни). Цвикки родился в Болгарии, но родители его были швейцарцами. Цвикки провел детство в Швейцарии у бабушки и дедушки, в Швейцарии же впоследствии познакомился с Вольфгангом Паули и Альбертом Эйнштейном. Защитив докторскую диссертацию в Цюрихе, он отправился в Калифорнийский технологический институт для повышения квалификации и остался в Калифорнии на должности профессора. Цвикки увлекался горнолыжным спортом и альпинизмом, ценил соревновательный дух как в спорте, так и в науке. Среди многообразных открытий Цвикки следует отметить такое: он установил, что бо́льшая часть массы в скоплениях галактик приходится на так называемую «темную материю». Он также предположил, что галактики, расположенные поблизости от нас, могут действовать как «гравитационные линзы», искривляя и усиливая свет других галактик, расположенных дальше, но находящихся на той же оптической оси. Несмотря на столь разные характеры, Бааде и Цвикки как-то смогли сработаться (хотя позже Бааде опасался, что Цвикки может учинить над ним физическую расправу).

В провидческой статье, опубликованной в 1934 г., Бааде и Цвикки писали: «Со всеми подобающими оговорками мы выдвигаем гипотезу, что сверхновая представляет собой переходную стадию от обычной звезды к нейтронной, состоящей главным образом из нейтронов. Такая звезда может обладать очень малым радиусом и чрезвычайно высокой плотностью». Их озарение кажется тем более примечательным, учитывая, что нейтрон был открыт всего двумя годами ранее. Затем Цвикки решил найти как можно больше сверхновых, вооружившись для этого телескопом с широким полем обзора. За всю жизнь Цвикки открыл более 120 сверхновых.

Современные астрономы, занимающиеся наблюдением других галактик, полагают, что в Млечном Пути каждые 100 лет должны взрываться хотя бы несколько массивных звезд. Но мы вполне можем пропустить сверхновую, если взрыв произойдет слишком далеко от нас, так как межзвездная пыль не позволяет заглянуть в дальние пределы нашей галактики. Действительно, недавние наблюдения, выполненные в рентгеновском и радиодиапазоне, показали, что около 150 лет назад вблизи от центра Галактики произошел сверхновый взрыв, который, однако, на Земле остался незамеченным. Но если межзвездное вещество и заслоняет от нас видимый свет сверхновой, оно не в силах остановить поток нейтрино. Поэтому сильный всплеск нейтрино должен означать, что где-то в Млечном Пути погибла массивная звезда. Мы располагаем высокочувствительными детекторами нейтрино, которые работают уже около четверти века, но пока не зарегистрировали взрыва сверхновой в нашей Галактике. Раффельт отмечает: «Такой шанс бывает раз в жизни, поэтому мы должны быть начеку».

Кейт Скулберг из Университета Дюка придерживается такого же мнения. Она вместе с коллегами участвовала в создании Системы раннего оповещения о взрывах сверхновых (сокращенно SNEWS). Это централизованная сеть, призванная максимально оперативно зарегистрировать коллапс звездного ядра, если такое явление произойдет в Галактике. По всему миру установлены детекторы, которые могут зафиксировать потоки нейтрино от сверхновой; планируется, что такие детекторы (например, «Ледяной куб» в Антарктиде, Large Volume Detector и Борексино в Италии, Super-K в Японии)[32] позволят выделить «потенциальные» сверхновые взрывы и отправят всю эту информацию в Брукхейвенскую национальную лабораторию на острове Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк. «Если сразу несколько детекторов нейтрино сработают одновременно, вполне вероятно, что где-то неподалеку произошел взрыв сверхновой», – объясняет Скулберг.

Если компьютер SNEWS обнаружит, что сигналы от двух детекторов поступят с небольшой разбежкой (порядка 10 с), то он разошлет оповещение об этом по всем обсерваториям в мире. Чтобы сигнал распространялся с максимальной скоростью, система должна работать без участия человека. Скулберг и ее коллеги надеются, что наземные и орбитальные телескопы рано или поздно зафиксируют электромагнитное излучение от взрыва сверхновой – в частности, оптическое, рентгеновское или радиоизлучение, – что позволит наблюдать развитие сверхнового взрыва, начиная с самых ранних этапов. Есть только одна загвоздка: большинство детекторов нейтрино не позволяют с уверенностью определить, откуда именно пришли эти частицы, поэтому астрономам будет не так просто найти сверхновую. «Тем не менее оповещение позволит немедленно подключить к поискам телескопы с широким полем обзора. Плюс у нас есть множество астрономов-любителей; многие из них превосходно умеют искать новые объекты в небе, – считает Скулберг, – идея заключается в том, чтобы после сигнала как можно больше людей начали искать эту звезду по всему небу и у нас был шанс заметить вспышку пораньше».

Скулберг подчеркивает, что «изучив нейтрино, возникшие при сверхновом взрыве в Галактике, мы узнаем ответы на множество вопросов. Такое событие можно сравнить с информационным рогом изобилия». Детекторы зафиксируют, как со временем изменяются количество и энергия поступающих нейтрино; эти данные помогут понять, как разворачивается взрыв. В частности, ученые смогут определить, сжимается ли звездное ядро до предела, превращаясь в черную дыру, откуда ничто не может ускользнуть – даже нейтрино, – либо вскоре коллапс приостанавливается, и на месте сверхновой остается нейтронная звезда. Если в итоге образуется черная дыра, то поток нейтрино внезапно прекратится. Если же в итоге мы получим нейтронную звезду, то этот звездный огарок будет продолжать испускать нейтрино еще примерно на протяжении 10 с после того, как полностью остынет, он не сразу иссякнет. Скулберг поясняет, что во втором случае «мы сможем наблюдать изначальное охлаждение нейтронной звезды и исследовать свойства сверхплотной материи».

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]. 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.

В 2011 г. мне довелось побывать в комплексе Хэнфорд. Я добирался туда на машине из Сиэтла, перевалив в снежный день через Каскадные горы. Обсерватория как раз была в процессе масштабного усовершенствования. Когда эти работы будут завершены, новая лаборатория под названием «Advanced LIGO» должна обладать достаточной чувствительностью, чтобы уловить гравитационное возмущение от столкновения двух нейтронных звезд, произошедшего даже в миллиарде световых лет от нас. Кроме того, эта обсерватория должна «услышать» последний вздох массивной звезды, если она погибнет где-нибудь поблизости от нас (по космическим меркам) и если взрыв окажется достаточно несбалансированным. Если коллапс звезды будет протекать плавно и симметрично, то мы не услышим практически ничего, так как симметричные гравитационные волны гасят друг друга. Однако при хаотическом коллапсе, который распространяется неравномерно, возникнет отчетливый гравитационный волновой сигнал. Это вполне может произойти в том случае, когда сжимающееся ядро звезды бешено вращается, приобретая форму футбольного мяча.

Действительно, существуют доказательства в пользу того, что взрывы сверхновых бывают асимметричными. Астрономы уже наблюдали ряд нейтронных звезд, предположительно образовавшихся при взрывах сверхновых. Эти нейтронные звезды мчатся по космосу со скоростью несколько сотен километров в секунду. Кроме того, вскоре после рождения нейтронной звезды сверхплотная материя ее ядра начинает плескаться, как будто неистовое вращение взбалтывает это вещество. В результате образуются гравитационные волны. «Было бы особенно интересно зарегистрировать и гравитационные волны, и нейтрино от одной и той же сверхновой», – отмечает Кейт Скулберг. Компьютерные модели позволяют предположить, что если эти данные будут получены вместе, то ученые смогут измерить скорость вращения коллапсирующего ядра, выяснив при этом детали физики взрыва. Результаты наблюдения ознаменуют начало подлинной «всесигнальной» астрономии, которая позволит ученым получать взаимодополняющую информацию одновременно и от электромагнитного излучения, и от нейтрино, и от гравитационных волн.

Как ни головокружительны все эти перспективы, они могут стать реальностью не раньше, чем где-нибудь в ближней части Галактики произойдет взрыв сверхновой. Скулберг и Биком в один голос признаются, что такое долгое ожидание очень томительно. Биком описывает свои ощущения так: «Ты как будто надолго задерживаешь дыхание». Проблема заключается в том, что современные обсерватории недостаточно чувствительны, чтобы зафиксировать большое количество нейтрино от сверхновых, взрывающихся в других галактиках. Например, Super-K сможет зафиксировать в лучшем случае один нейтрино, образовавшийся при взрыве сверхновой в Туманности Андромеды – это ближайшая к Млечному Пути соседняя галактика, расположенная примерно в полумиллионе световых лет от нас. Гораздо более крупные, еще не построенные детекторы, например, вышеупомянутая установка LBNE, позволили бы в таком случае зарегистрировать несколько десятков попаданий нейтрино – но этого также совершенно недостаточно, чтобы удовлетворить аппетиты охотников за нейтрино.

Биком и его коллеги решили пойти другим путем: они надеются взглянуть на море астрофизических нейтрино, накопившихся в космосе после многочисленных взрывов сверхновых с коллапсом ядра, которые произошли с начала времен. В среднем каждую секунду во Вселенной взрывается хотя бы одна звезда, поэтому в пространстве должны постоянно существовать бесчисленные нейтрино, образовавшиеся при взрывах сверхновых. Биком стремится разглядеть все это множество нейтрино, так называемый «диффузный фон астрофизических нейтрино», образовавшихся после взрывов сверхновых. По оценке Бикома, на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли ежесекундно выпадает несколько сотен астрофизических нейтрино – подлинное изобилие по сравнению с солнечными нейтрино и теми, которые образуются в земной атмосфере под действием космических лучей. Биком считает, что «это очень слабый сигнал, но у нас есть все основания надеяться, что вскоре мы его зафиксируем». Самое сложное в данном случае – отличить астрофизические нейтрино, образовавшиеся при взрывах сверхновых, от гораздо более многочисленных «местных» частиц. Биком с коллегами предположили, что для решения этой задачи можно было бы растворить в гигантском водном резервуаре Super-K немного серебристо-белого металла гадолиния (такая уловка позволила бы повысить чувствительность этого детектора к астрофизическим нейтрино). Цель исследователей – понять, как выглядит выброс нейтрино от типичного взрыва сверхновой, но при этом не дожидаться, пока произойдут «свежие» взрывы такого рода.

Разумеется, обнаружение едва уловимого смешанного нейтринного сигнала от множества сверхновых не отменяет необходимости изучения всех тонкостей взрыва какой-нибудь ближней сверхновой, если он произойдет. Если внимательно рассмотреть окрестности Солнца, то вероятным кандидатом на скорое превращение в сверхновую представляется Бетельгейзе. Это красный сверхгигант в созвездии Ориона, звезда, расположенная прямо на правом плече охотника[34]. Бетельгейзе расположена всего в 640 световых годах от Земли. Эта звезда настолько раздута, что если бы Бетельгейзе оказалась на месте Солнца, то полностью поглотил бы орбиту Земли, а самые внешние слои этой звезды распространились бы даже дальше орбиты Марса. Если бы Бетельгейзе взорвалась, то возникшая на ее месте сверхновая могла бы на протяжении многих дней и даже недель сиять в нашем небе не менее ярко, чем полная луна. Более того, детектор Kamiokande всего за несколько секунд зарегистрировал бы около 60 млн нейтрино, не на шутку озадачив ученых. Раффельт объясняет: «Как правило, нейтринные детекторы рассчитаны на регистрацию очень редких событий, поэтому при таком количестве попаданий они попросту ослепнут – электроника откажет».

Эта Киля – настоящая звезда-колосс, даже по звездным меркам достигающая невероятных размеров. Она как минимум в 100 раз массивнее нашего Солнца и является еще одним вероятным кандидатом на превращение в сверхновую. Звезда, расположенная примерно в 7000 световых лет от нас, – причудливый и переменчивый объект. За последние несколько веков яркость этой звезды неоднократно и очень резко изменялась. В 1843 г. Эта Киля стала одной из ярчайших звезд ночного неба – ее даже ошибочно приняли за сверхновую – и пылала так на протяжении 20 лет. Этот эпизод сопровождался мощным взрывом, при котором звезда потеряла обширные внешние слои, а вместе с ними – десятую часть своей массы. В настоящее время из извергнутого ею вещества образовались две гигантские газовые туманности, немного напоминающие два воздушных шара, между которыми сияет звезда. Несомненно, Эта Киля стремительно приближается к славной гибели. Вполне вероятно, что следующий взрыв станет последним в ее истории. Учитывая, как тяжела эта звезда, на месте ее останков должна образоваться черная дыра. Если в обозримом будущем Эта Киля взорвется и станет сверхновой, то детекторы на Земле зафиксируют около полумиллиона нейтрино.

Итак, по всей видимости, в ближайшем будущем Бетельгейзе или Эту Киля настигнет феерический конец, но мы не можем рассчитать, когда именно произойдет такое событие. По астрономическим меркам этот момент вполне может наступить и через несколько сотен тысяч лет. При этом довольно велика вероятность, что в ближайшие несколько десятилетий где-то в нашей Галактике взорвется какая-нибудь массивная звезда. Алекс Фридленд признался: «Если бы мне предложили поставить деньги на то, что произойдет раньше – взорвется следующая сверхновая или в США построят новый крупный ускоритель частиц, – то я, пожалуй, выбрал бы сверхновую». Даже если сверхновая окажется настолько далеко от Земли, что мы не сможем разглядеть ее сквозь пыльный шлейф Млечного Пути, этот взрыв оставит ярчайший след в нейтринных детекторах по всему миру. Это будет сенсационное, эпохальное событие в истории охоты на нейтрино – физиков ждет просто невиданный праздник.

Глава 7

Акты исчезновения

Всем нам доводилось смотреть по телевидению научно-популярные передачи, в которых выступают астрономы и красноречиво рассуждают о почти полной пустоте космоса. Да, конечно, в этом неизмеримо огромном пространстве существуют галактики, звезды, планеты и люди, поэтому совершенно пустым местом космос не назовешь. По иронии судьбы физикам этот очевидный факт кажется настоящим чудом – ведь Вселенная действительно могла образоваться без единой крупицы материи. В настоящее время ученые пристально изучают нейтрино, чтобы понять, каким образом Вселенной удалось избежать столь неприглядной участи.

В момент, когда космос образовался в результате Большого взрыва, высвободилось колоссальное количество энергии. Новорожденная Вселенная была компактной, густой и жаркой. Она просто изобиловала энергией, которая пошла на спонтанное образование пар частица – античастица. В тот период плотность космоса была столь высока, что эти парные частицы должны были постоянно сталкиваться и самоуничтожаться, оставляя после себя лишь море излучения. Поскольку материя во Вселенной все-таки сохранилась, ученые полагают, что изначально существовал небольшой избыток вещества по сравнению с антивеществом. Удалось примерно высчитать величину этого избытка: на каждый миллиард античастиц должно было приходиться по миллиарду и одной соответствующей частице. Все тела в современной Вселенной – в том числе и мы с вами – существуют исключительно благодаря этому крошечному перевесу материи, сложившемуся в начале времен.

Итак, как же возник небольшой перевес вещества над антивеществом? Этот вопрос является одной из наиболее фундаментальных и в то же время самых трудноразрешимых проблем физики частиц. Для его решения за последние несколько десятилетий была проделана огромная теоретическая работа, а также поставлено изрядное количество экспериментов. Физики размышляют, удастся ли разгадать эту глубокую тайну в рамках Стандартной модели или же придется формулировать совершенно новую теорию о природе материи. До сих пор Стандартная модель с завидным успехом позволяла объяснять окружающий мир во всем его разнообразии всего лишь как систему взаимодействий немногочисленных разновидностей элементарных частиц и соответствующих им античастиц. Стандартная модель описывает различные взаимодействия между этими частицами как обмен «переносчиками взаимодействий» – например, фотонами. Бесчисленные эксперименты с невероятной точностью подтверждают все постулаты Стандартной модели. Но причина, по которой в космосе сложилась такая диспропорция между веществом и антивеществом, остается камнем преткновения этой модели. Эдвард «Рокки» Колб, ученый из Чикагского университета, полагает, что «такая асимметрия действительно может означать, что законы природы не ограничиваются Стандартной моделью». Колб считает, что именно поэтому специалисты по физике частиц так отчаянно стремятся разрешить парадокс, связанный с практически полным отсутствием антивещества. Все новые факты указывают, что секрет этой космической интриги каким-то образом связан с нейтрино или как минимум с их более массивными аналогами, существовавшими в первозданной Вселенной.

Попробуем разобраться в природе этого парадокса. Для начала вспомним, что в атомах содержатся элементарные частицы, относящиеся к двум большим семействам: барионам и лептонам. Барионы – в частности, протоны и нейтроны – состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Кварки делятся на шесть типов, также именуемых ароматами. Кварки удерживаются вместе благодаря сильному ядерному взаимодействию. Кроме того, каждый кварк обладает барионным числом, зарядом и «цветом». Лептоны же сами по себе являются фундаментальными частицами: они неразложимы на более мелкие составляющие. Электроны и нейтрино относятся к семейству лептонов. Каждый лептон обладает лептонным числом и зарядом.

Согласно Стандартной модели, каждая фундаментальная частица имеет соответствующую античастицу, обладающую такой же массой, как эта частица, но противоположным зарядом и спином. Например, электрон и позитрон имеют одинаковую массу, но заряд электрона равен –1, а заряд позитрона +1. Кварки, объединяясь, образуют барионы; точно так же антикварки могут объединяться и образовывать антибарионы. Когда вещество вступает в контакт с антивеществом, происходит их аннигиляция, которая сопровождается выделением фотонов. Согласно законам Стандартной модели, при взаимодействиях частиц сохраняется барионное число и лептонное число; иными словами, «на входе» и «на выходе» общее количество барионов и лептонов не должно изменяться. Но если бы эти правила полностью соблюдались, то нас бы просто не существовало! В определенный период на самых ранних этапах развития Вселенной происходили какие-то реакции, которые не полностью подчинялись описанным правилам. Именно поэтому возник такой переизбыток антивещества над веществом, который мы наблюдаем в настоящий момент.

Начало истории об антивеществе положил Поль Дирак, которого Стивен Хокинг в свое время назвал «пожалуй, самым великим британским физиком со времен Ньютона». Дирак родился в 1902 г. в городе Бристоле на юго-западе Англии в семье эмигрантов из Швейцарии. Отец Дирака работал учителем французского языка, а мать была библиотекарем. Молодой Дирак не ладил с отцом, поскольку тот был довольно суров и требовал от детей, чтобы те разговаривали с ним только по-французски. Из-за таких авторитарных манер отца детство Дирака было не радужным. Как он впоследствии признавался, «ребенком мне так и не довелось узнать, что такое любовь и сочувствие». Окончив курсы по электротехнике и математике в Бристольском университете, Дирак взялся за докторскую диссертацию в Кембридже, где впоследствии занял пост профессора. Странные привычки Дирака стали притчей во языцех. Субраманьян Чандрасекар, физик индийского происхождения, учившийся у Дирака, рассказывал, что профессор мог «крадучись пробираться по улицам, держась поближе к стенам домов, словно вор». Дирак увлекался альпинизмом, и знакомые иногда замечали, как он карабкается по дереву в окрестностях Кембриджа – причем в том самом черном костюме, в котором читал студентам лекции, словно сразу после занятий собирался на очередное восхождение. Несмотря на такую эксцентричность, он оставался примерным семьянином, любил кататься на велосипеде, плавать и сплавляться на каноэ вместе с детьми.

Дирак был настолько немногословен, что коллеги даже в шутку выдумали единицу «дирак», соответствующую минимальному количеству слов в час, которое может процедить человек, не выпадая при этом из разговора. Нильс Бор, один из пионеров квантовой физики, в сердцах отзывался об этой невероятной молчаливости коллеги: «Ох уж этот Дирак, он так много знает о физике, только вот ни слова не говорит». Существует множество исторических анекдотов о причудливых нравах Дирака, особенно о его предельно рассудочных и буквалистских реакциях – некоторые исследователи даже полагают, что причиной такого поведения мог быть аутизм. Однажды на научной конференции, проходившей в замке, кто-то из участников сострил, что в одном из покоев этого замка в полночь, кажется, шастало привидение. Дирак в ответ со всей серьезностью осведомился: «Это было в полночь по Гринвичу или по летнему времени?» Другой анекдот рассказывает о Дираке и Вернере Гейзенберге – одном из основателей квантовой физики, который наиболее известен тем, что сформулировал принцип неопределенности. Однажды Гейзенберг и Дирак вместе отправились на конференцию в Японию на круизном корабле. Между ними произошел случай, отлично характеризующий занудство Дирака. На борту устраивали танцы, и импозантный Гейзенберг с удовольствием в них участвовал. Как-то раз Дирак спросил Гейзенберга: «Почему вы танцуете?» Гейзенберг ответил: «Ну, там же милые девушки, просто приятно». Дирак призадумался и, помолчав, поинтересовался: «А откуда вы заранее знаете, что они милые?» Кроме того, Дирак был известен своим критическим отношением к религии, в особенности – сомнениями в ее истинной цели. Однажды, когда Дирак выступил с резкой критикой религиозности, присущей некоторым физикам, присутствовавший при этом Вольфганг Паули отметил: «Нет, у нашего друга Дирака есть религия, и главный догмат этой религии гласит: “Нет никакого Бога, и Дирак – пророк Его”». Все присутствовавшие рассмеялись – даже сам Дирак.

В 1928 г., работая в Кембридже, Дирак вывел математическое уравнение, которое описывало поведение электрона, опираясь на две молодые физические теории – Специальную теорию относительности и квантовую механику. Однако, к немалому удивлению, а поначалу и к досаде самого Дирака, это уравнение свидетельствовало, что в природе должен существовать положительно заряженный аналог электрона. Сначала Дирак решил, что на эту роль вполне подходит протон. В конце концов, в те годы наука еще не знала других элементарных частиц. Однако казалось, что такое уравнение предполагает точную симметрию между двумя частицами: гипотетическая положительная частица должна была иметь такую же массу, как и электрон. Поскольку протон примерно в 2000 раз тяжелее электрона, эти частицы едва ли можно было считать парными.

К 1930 г. другие ученые также стали сомневаться в исходной гипотезе Дирака о том, что протон является положительным аналогом электрона. Так, Дж. Роберт Оппенгеймер, который в годы войны возглавил Манхэттенский проект, созданный для разработки ядерного оружия, и советский физик Игорь Тамм обнаружили еще более серьезную проблему, связанную с интерпретацией Дирака. Работая независимо друг от друга, Тамм и Оппенгеймер пришли к выводу, что если бы описываемые уравнением Дирака частицы-антиподы столкнулись, то выделилась бы масса энергии и произошло явление, которое физики именуют аннигиляцией. Если бы протон действительно был положительным аналогом электрона, то стабильных атомов бы попросту не существовало, так как две эти частицы не могли бы существовать бок о бок. Годом позже сам Дирак предположил, что единственное логичное объяснение его уравнения требует признать существование иной частицы, которую сам Дирак назвал «антиэлектрон».

Действительно, Дирак осознал, что его уравнение проливает свет на существование «совершенно новой разновидности вещества». У каждой частицы должна быть ровно одна античастица, своеобразное «зеркальное отражение». Античастице необходимо обладать такой же массой, как и частице, но остальные свойства этих частиц (например, электрический заряд) должны быть противоположными. Более того, уравнение Дирака предполагало, что при наличии достаточного количества энергии пары частиц и античастиц могут возникать спонтанно, что поначалу казалось физикам невероятным.

Спустя всего несколько месяцев Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института, занимаясь изучением космических лучей (высокоэнергетических частиц, прилетающих на Землю из глубокого космоса), заметил в пузырьковой камере след, оставленный «какой-то положительно заряженной частицей с точно такой массой, как у электрона». Андерсон потратил около года на исследование этой проблемы и пришел к выводу, что эти новые частицы действительно являются антиэлектронами. Он назвал их позитроны. Андерсон зафиксировал и такие случаи, в которых электронно-позитронные пары возникали словно из ниоткуда, подтвердив, что парное образование частиц – это реальное физическое явление, в полном соответствии с уравнением Дирака. Таким образом, нечто действительно может возникнуть из ничего – по крайней мере на тот краткий миг, пока парные частицы не аннигилируют. Сегодня в ходе экспериментов, которые проводятся на ускорителях частиц, ученые с легкостью синтезируют миллионы электронно-позитронных пар. Однако в таких опытах частицы и античастицы разделяются при помощи магнитных полей и лишь через какое-то время вступают в контакт и аннигилируют.

В 1933 г. Дирак в возрасте 31 года был удостоен Нобелевской премии за свое открытие на кончике пера, поскольку его гипотеза подтвердилась, когда Андерсону удалось обнаружить позитрон. Дирак был чрезвычайно стеснительным и даже подумывал отказаться от премии, чтобы в случае ее присуждения не стать публичной персоной. «Робкий, как газель, скромный, как викторианская девица» – так охарактеризовали Дирака в одном из номеров газеты Sunday Dispatch, вышедших в то время. Но друзья убедили Дирака, что отказ от премии привлечет к нему еще больше внимания, поэтому он явился на церемонию.

Хотя Андерсону и удалось обнаружить позитрон вскоре после теоретического прогноза Дирака, поиски антипротона и антинейтрона продолжались значительно дольше. Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен зафиксировали антипротон в ускорителе частиц под названием Bevatron, расположенном в калифорнийском городе Беркли, – это произошло в 1955 г. Годом позже Брюс Корк вместе с коллегами на том же ускорителе открыл антинейтрон. Первое ядро антивещества, состоявшее из антипротона и антинейтрона, впервые удалось наблюдать двум независимым группам исследователей в 1965 г., но лишь спустя 30 лет ученые смогли синтезировать первые антиатомы, в которых позитрон вращается вокруг антиядра. В 1995 г. группа физиков в институте CERN получила девять атомов «антиводорода». До сих пор сотрудники CERN продолжают упорно работать над тем, чтобы добыть существенное количество атомов антиводорода и сохранить их достаточно долго, чтобы можно было изучить свойства этого вещества. В 2011 г. в Брукхейвенской национальной лаборатории удалось получить ядра антигелия, состоящие из двух антипротонов и двух антинейтронов. Для этого в ускорителе разгоняли и сталкивали ядра золота, достигая невероятной плотности вещества – примерно такую плотность имела Вселенная спустя считаные микросекунды после Большого взрыва. До сих пор это самые тяжелые антиядра, известные науке.

Мало того, что антивещество очень сложно получить в лабораторных условиях; оно еще и почти не встречается в природе. По-видимому, современная Вселенная практически полностью состоит из вещества. Откуда нам известно, что антивещества во Вселенной совсем мало? Во-первых, мы можем быть практически уверены, что антивещество отсутствует в Солнечной системе. Ведь астронавты, высаживавшиеся на Луне, а также автоматические зонды, которые мы уже запускали к различным планетам, астероидам и кометам, не аннигилировали при посадке. Частицы солнечного ветра не аннигилируют при попадании в земную атмосферу; соответственно, Солнце состоит из вещества, точно как и Земля. В высокоэнергетических космических лучах, прилетающих из отдаленных районов Млечного Пути и ежедневно бомбардирующих Землю, на каждые 10 000 протонов приходится примерно 1 антипротон: значит, во всей нашей Галактике нет сколько-нибудь существенных объемов антивещества. Также крайне маловероятно, что из антивещества могут состоять другие галактики, поскольку если бы подобные антигалактики действительно существовали, то мы должны были бы наблюдать сильные всплески гамма-излучения всякий раз, когда такая антигалактика взаимодействует с обычной, состоящей из вещества.

Некоторые ученые пытались непосредственно определить, насколько редко антивещество встречается во Вселенной. Сэмюэл Тинг, специалист по физике частиц из Массачусетского технологического института (а также его коллеги), сконструировал прибор, который назвал «альфа-магнитный спектрометр» (AMS). В этом устройстве применяется огромный сверхпроводящий магнит и шесть сверхчувствительных детекторов, выискивающие ядра антигелия в космических лучах. Прототип спектрометра Тинга в 1998 г. был выведен на орбиту на борту шаттла Discovery под эгидой NASA. Прибор обнаружил миллионы ядер гелия, но ни одного ядра антигелия. Позже астронавты поставили полномасштабный эксперимент на оборудовании, которое в тысячу раз превосходило по чувствительности этот прототип. Работа была выполнена на международной космической станции в 2011 г. в ходе последнего полета шаттла Endeavor[35].

Ученые не одно десятилетие размышляли о том, почему же в природе присутствует столь мизерное количество антивещества – почему симметрия нарушается на таком базовом уровне. Концепция симметрии играет в науке важнейшую роль, и не менее принципиальное значение имеют законы сохранения. Еще в 1915 г. выдающаяся немецкая исследовательница математик Эмми Нётер первой осознала, что между феноменами симметрии и сохранения существует тесная связь. Несмотря на то что Нётер происходила из семьи математиков, в те годы женщине было нелегко заниматься наукой, приходилось бороться за это право. Девушка не имела возможность официально поступить в Университет Эрлангена (в этом городе родилась Эмми), поэтому она ходила на лекции вольнослушательницей, что не помешало ей блестяще сдать экзамены. Позже университет отменил подобные ограничения для студенток, но Нётер, хотя и получила докторскую степень с высшим баллом, все равно долго не могла устроиться на преподавательскую работу.

Эмми Нётер

(Science Photo Library)

Когда Нётер смогла выдвинуть свою кандидатуру на пост приват-доцента в Гёттингенском университете, один из сотрудников факультета протестующе заявил: «Что только подумают наши солдаты, когда вернутся с фронта в университет и будут вынуждены заниматься у ног женщины?!» Знаменитый математик Дэвид Гильберт – один из сторонников избрания Нётер – пришел в ярость от такой дискриминации и парировал: «Не понимаю, почему пол кандидата служит доводом против нее… ведь здесь университет, а не баня!» Но ему не удалось переубедить коллег, и Нётер была вынуждена довольствоваться должностью приглашенного преподавателя. После того как к власти пришел Гитлер, Нётер оказалась в числе первых преподавателей еврейского происхождения, потерявших работу и вынужденных бежать из страны. Она переехала в США в 1933 г. и получила профессорский пост в колледже Брин-Мор, штат Пенсильвания. Сегодня существует престижная студенческая стипендия для молодых исследователей, присуждаемая Немецким научно-исследовательским обществом, которая названа в честь Нётер.

Вскоре после прибытия в Гёттинген Нётер занялась изучением некоторых аспектов эйнштейновской общей теории относительности, опубликованной незадолго до этого. Нётер поняла, что симметрия подразумевает закон сохранения, и наоборот. Она предположила, что если в природе наблюдается та или иная симметрия или регулярность, то существует и закон, отвечающий за ее сохранение. Например, тот факт, что законы физики не изменяются с течением времени (в научной терминологии это явление называется «инвариантность»), подразумевает существование закона сохранения энергии. Действительно, когда бы вы ни бросили монетку с балкона – завтра или три недели назад, она упадет на землю с одним и тем же ускорением. Верно и обратное: поскольку в природе действует закон сохранения энергии, законы физики симметричны относительно времени. Открытие Нётер было настолько фундаментальным, что сегодня описанная ею закономерность называется «теорема Нётер». Лауреат Нобелевской премии по физике Леон Ледерман и Кристофер Хилл, его коллега по лаборатории Fermilab, писали в книге «Симметрия и прекрасная Вселенная» (Symmetry and the Beautiful Universe), что это «одна из важнейших когда-либо доказанных математических теорем, определивших развитие современной физики, сопоставимая, пожалуй, только с теоремой Пифагора».

Причина, по которой Ледерман и Хилл поверили в такую важность теоремы Нётер, во многом связана с нашими фундаментальными понятиями о природе, в частности, о субатомном мире. Возьмем, к примеру, мюон – распадаясь, эта частица испускает электрон вправо. По закону симметрии распадающийся антимюон должен испускать позитрон влево. Физики именуют этот феномен пространственной четностью, или P-симметрией. Теорема Нётер предполагает, что при взаимодействиях элементарных частиц должна сохраняться четность, а также другие их свойства – в частности, заряд (физики говорят «C-симметрия») и энергия. Однако стандартная модель допускает, что такие правила симметрии могут время от времени нарушаться; это явление называется «нарушение соответствующей симметрии». Так, иногда антимюон при распаде может испускать частицу вправо, то есть «действовать не по правилам»

Физики Джеймс Кронин и Вал Фитч, оба работавшие в Принстонском университете, а также их коллеги впервые наблюдали нарушение CP-симметрии[36] в 1964 г. на синхротроне в Брукхейвенской национальной лаборатории, расположенной на острове Лонг-Айленд в штате Нью-Йорк. Они обнаружили, что электрически нейтральные частицы, именуемые каонами или К-мезонами, могут превращаться в парные им античастицы и наоборот, однако вероятность перехода в первом и втором направлении отличается. В сущности, они открыли, что в природе действительно отсутствует равновесие между веществом и антивеществом. Правда, этот эффект был едва заметен и совершенно не мог объяснить наблюдаемого преобладания вещества над антивеществом. С тех пор физики занимаются поиском других примеров нарушения зарядовой четности, которые проявлялись бы в более серьезных масштабах. Два наиболее точных эксперимента были запущены в 1999 г. Один из них называется «BaBar» и проводится на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) в Калифорнии. Второй именуется «Belle», он осуществляется в японской лаборатории KEK. На этих «B-фабриках» физики сталкивают электроны и позитроны на субсветовых скоростях. В результате образуются целые ливни нейтральных элементарных частиц, B-мезонов, которые за считаные триллионные доли секунды распадаются на множество еще более экзотических частиц. За более чем десятилетний срок этих экспериментов ученым удалось зафиксировать миллиарды подобных актов распада и значительную асимметрию в частоте распада B-мезонов и анти-B-мезонов – асимметрия оказалась даже более выраженной, чем предполагалось. Это наиболее серьезный случай нарушения CP-симметрии, известный в настоящее время, но и он далеко не объясняет, почему во Вселенной наблюдается значительная асимметрия между веществом и антивеществом. Поэтому поиск более мощных источников асимметрии продолжается. В 2011 г. был запущен новый эксперимент, направленный на поиск иных случаев нарушения CP-симметрии; он проводится на Большом адронном коллайдере института CERN. Большой адронный коллайдер – крупнейший в мире ускоритель частиц, установленный в кольцевидном туннеле длиной около 27 км, находится близ французско-швейцарской границы.

Тем временем физики успели описать еще несколько гипотетических механизмов, которые, возможно, могли вызвать более значительную асимметрию. Некоторые из них довольно сложны, если не сказать надуманны. Рокки Колб описывает самые экзотические из подобных гипотез как «гигантские построения, призванные объяснить одно-единственное число». В частности, по одной из версий, симметрия между веществом и антивеществом оказалась нарушена из-за испарения первозданных черных дыр, образовавшихся на заре существования Вселенной. Другая версия, которая представляется более убедительной, такова: возможно, причины асимметрии связаны с лептонами – семейством элементарных частиц, к которым относится и нейтрино. Чтобы можно было взять на вооружение эту версию, физикам приходится предположить, что первозданная Вселенная была наполнена тяжелыми «парами» почти невесомых нейтрино, которые мы наблюдаем сегодня. Когда эти сверхтяжелые нейтрино распадались, они превращались в вещество с большей вероятностью, чем в антивещество. Поскольку мы пока не располагаем достаточно мощными ускорителями, которые позволили бы синтезировать такие массивные частицы, ученым остается лишь изучать свойства их более легких аналогов (нейтрино) и теоретизировать, мог ли такой сценарий действительно разворачиваться в реальности.

Причина, почему нейтрино отводится главная роль в разгадке этой космической тайны, связана со странным свойством, которым могут обладать эти частицы: возможно, нейтрино окажутся идентичны антинейтрино. Большинство частиц имеют античастицы, обладающие противоположным спином и зарядом. Поскольку нейтрино и антинейтрино лишены заряда, различить их можно только по спину: у нейтрино он левый, а у антинейтрино – правый. Несмотря на разницу в спине, обе эти частицы могут взаимодействовать с материей совершенно одинаково. Если бы все действительно было так и нейтрино с антинейтрино были полностью взаимозаменяемы, то именно этот феномен мог бы объяснить переизбыток вещества над антивеществом в ранней Вселенной.

Итальянский физик Этторе Майорана – замкнутый гений, пропавший без вести в возрасте 32 лет, первым предположил, что нейтрино могут обладать такой двойственной природой. Майорана родился в 1906 г. в знатной сицилийской семье и уже ребенком проявлял талант к математике и шахматам. Последовав примеру отца, он пошел учиться на инженера в Риме. Там Майорана познакомился с Эмилио Сегре, который убедил его заняться физикой, а не техникой. В компании с Сегре Майорана присоединился к исследовательской группе Энрико Ферми, незадолго до того получившего пост профессора в Римском университете. Тогда Майорану еще можно было назвать юношей – ему лишь недавно исполнилось двадцать шесть. Амбициозная команда молодых физиков под началом Ферми получила прозвище «Ребята с улицы Панисперна» – на этой улице располагался институт физики.

Этторе Майорана

(E. Recami and F. Majorana)

Теоретические работы Майораны были связаны с исследованием структуры и свойств атомов и их составляющих. Получив грант от Итальянского научно-исследовательского совета, Майорана смог отправиться в Лейпциг, где сотрудничал с Гейзенбергом, а также в Копенгаген, чтобы работать с Нильсом Бором.

Работая в Германии, Майорана серьезно заболел гастритом, этот недуг донимал его еще долгие годы, даже после возвращения в Рим. Возможно, именно из-за болезни Этторе почти не публиковал научных статей, зачастую бракуя собственную работу как мутные исследования, недостойные печати. Несмотря на уговоры Ферми, Майорана даже не удосужился опубликовать собственную гипотезу о существовании нейтрона, поэтому, когда эту частицу независимо от Майораны открыли другие ученые, его вклад в исследование этой проблемы остался совершенно неоцененным.

Заручившись поддержкой Ферми, которая в те годы значила в Италии очень много, Майорана получил в конце 1937 г. должность профессора на кафедре физики в университете Неаполя. Первые пару месяцев работа у него, казалось, шла хорошо. Однако вечером 23 марта он сел на корабль, отходивший из Неаполя в сицилийский город Палермо, предварительно сняв со счета все сбережения. Через два дня Майорана написал шокирующее письмо директору неапольского института физики: «Я принял решение, которое стало для меня неизбежным. В нем нет ни капли эгоизма, но я сознаю, какие неудобства доставит Вам и студентам мое внезапное исчезновение. Я прошу у Вас прощения, в том числе и за это, но в особенности за то, что обманул Ваше доверие, искреннюю дружбу и сочувствие, которым Вы успели меня одарить за последние несколько месяцев…»

Однако вскоре после отправки этого письма Майорана, по-видимому, решил все переиграть, так как отправил коллеге телеграмму с просьбой опровергнуть предыдущее письмо. Во второй записке, датированной 26 марта, он писал: «Море не приняло меня, и завтра я вернусь. Остановлюсь в гостинице Bologna, возможно, при мне будет это письмо. Тем не менее я решил прекратить преподавательскую работу». Обеспокоенный коллега рассказал о письме родственникам Майораны. Вечером 25 марта, будучи в Палермо, Майорана купил билет на корабль, уходивший обратно в Неаполь, но на полуострове так и не появился. Несмотря на то, что семья предлагала вознаграждение тому, кто найдет Этторе, более ничего о нем узнать не удалось. Ферми даже обращался к премьер-министру Италии Бенито Муссолини с просьбой посодействовать в поисках: «Без малейших колебаний заверяю Вас и подчеркиваю, что в моих словах нет ни малейшего преувеличения: из всех итальянских и иностранных ученых, с которыми мне доводилось встречаться, мало кто настолько поразил меня своими незаурядными качествами, как Майорана».

Мнения о судьбе Майораны варьируются от очевидных до абсолютно загадочных. Проще всего предположить, что он покончил с собой, спрыгнув с корабля в Тирренское море. Но если он планировал свести счеты с жизнью, то зачем забирал деньги из банка? Кроме того, члены семьи настаивали, что Этторе был убежденным католиком, поэтому не мог пойти на самоубийство. Некоторые полагали, что Майорана переживал духовный кризис, поэтому ушел в монастырь. Один иезуитский священник рассказывал, что к нему обратился какой-то смятенный молодой человек, по описанию похожий на Майорану, и попросил принять его в орден. Монахи из обители, расположенной южнее Неаполя, также сообщали, что видели такого человека. Еще одна версия уводит поиски в Аргентину. На протяжении нескольких десятилетий после исчезновения физика появлялись сообщения о том, что Майорану видели в Южной Америке. Один сицилийский писатель предполагал, что Майорана пустился в бега, так как предвидел скорое изобретение ядерного оружия и не хотел иметь ничего общего с этими чудовищными разработками. Другие думали, что Майорану могли убить нацистские агенты или сицилийская мафия.

Возможно, при всем своем незаурядном интеллекте Майорана просто не мог справиться с жизненными неурядицами. Как отмечал Ферми, «Майорана был более талантлив, чем кто-либо в мире. К сожалению, ему недоставало всего одного качества, которым обычно обладают другие мужчины: здравого смысла». Легенда о Майоране живет на родине этого человека, причем подпитывается не только конспирологическими версиями и историями о том, что «кто-то видел Майорану» (на самом деле в какой-то период в Италии его «замечали» не реже, чем в США – Элвиса Пресли). Более того, Майорана уже стал героем комиксов и настоящим символом Сицилии.

При этом важность того вклада, который Майорана успел внести в науку, в последние годы резко повысилась. Все дело в растущем интересе к его соображениям о природе нейтрино, которые Майорана успел изложить в своей статье всего за год до исчезновения. Выше в этой главе я уже описывал сущность уравнения Дирака: оно указывает, что у электрона, имеющего отрицательный заряд, должна существовать положительно заряженная античастица. Майорана, в свою очередь, осознал, что не имеющие заряда нейтрино могут быть античастицами сами себе. То есть в природе может и не существовать «близнеца-антипода» нейтрино. Майоране удалось вывести более простое уравнение для нейтрино, чем Дираку – для электрона. Считается, что Этторе просто не решался опубликовать результаты своих исследований, хотя Ферми, как обычно, убеждал его не стесняться. Другие полагают, что Ферми сам написал статью, основываясь на заметках Этторе, и отдал ее в публикацию, подписавшись именем Майорана. Если бы не этот благородный поступок Ферми, то мы, возможно, никогда не узнали бы об эпохальном озарении Майораны.

Если предположение Майораны подтвердится и нейтрино действительно окажется античастицей «самой себе», то этот факт может перевернуть всю физику. Во-первых, придется пересмотреть Стандартную модель, которая сегодня считается настоящим каноном субатомного мира. Во-вторых, именно двойственная природа нейтрино могла бы объяснить ту асимметрию, в результате которой вещество подавляюще преобладает над антивеществом и которой мы обязаны своим существованием. Несмотря на явную простоту гипотезы Майораны, проверить ее экспериментально довольно сложно. Только сейчас ученые вплотную подходят к возможности осуществления строгих экспериментов такого рода, о чем мы подробнее поговорим ниже в этой главе.

Как вы, вероятно, помните из главы 2, Вольфганг Паули первым предположил, что именно нейтрино могут вызывать тот недостаток энергии, которая, казалось бы, бесследно исчезает при бета-распаде радиоактивного ядра. В частности, когда нейтрон распадается на протон и электрон, также образуется антинейтрино. При таком распаде сохраняется электрический заряд: реакция начинается с нейтрона, не имеющего заряда, а в результате ее образуются протон и электрон, чьи заряды равны, соответственно, +1 и –1, а также не имеющий заряда антинейтрино. Таким образом, суммарный заряд этих частиц также равен нулю. Сохраняется и лептонное число: как в начале, так и в конце реакции оно равно нулю, поскольку лептонное число электрона равно +1, а антинейтрино присваивается лептонное число –1. До сих пор все нормально: мы играем по правилам Стандартной модели.

Оказывается, ключевую роль для проверки гипотезы Майораны может сыграть редкая разновидность бета-распада. Еще в 1935 г. германо-американский физик Мария Гёпперт-Майер описала необычный вариант «двойного бета-распада»: два нейтрона в одном и том же ядре могут одновременно превратиться в два протона, испустив два электрона и два антинейтрино. В таком случае сохранились бы и электрический заряд, и лептонное число. По расчетам Гёпперт-Майер, случаи такого двойного распада должны быть достаточно редкими. Кроме того, наблюдать их очень непросто, так как они потеряются на фоне обычного «одинарного» бета-распада. После многих десятилетий работы, которой занимались многие физики, Майкл Мо из Калифорнийского университета в городе Ирвин и его коллеги наконец-то смогли наблюдать двойной бета-распад в лабораторных условиях. Это произошло в 1987 г.

Задолго до того, как группе Мо удалось экспериментально зафиксировать двойной бета-распад, ученые пришли к выводу, что если Майорана был прав и нейтрино являются античастицами сами себе, то возможен и третий, еще более редкий вариант бета-распада. Итак, если догадка Майораны была верна, то два нейтрона могут претерпевать бета-распад вместе, так, что антинейтрино, испускаемый одним нейтроном, сразу же поглощается другим нейтроном. В итоге два нейтрона распадаются, не оставляя после себя ни нейтрино, ни антинейтрино. Физики подобрали для этого феномена громоздкое название «безнейтринный двойной бета-распад». В процессе такого распада электрический заряд сохраняется, а лептонное число – нет: на выходе имеем +2, так как есть два электрона и никаких антинейтрино. Таким образом, при безнейтринном двойном бета-распаде нарушается важное правило сохранения, основополагающий закон Стандартной модели. Именно такое нарушение может объяснять асимметрию в количестве вещества и антивещества.

Если ученым доведется наблюдать этот исключительно редкий процесс в природе, то догадка Майораны подтвердится: окажется, что нейтрино действительно является античастицей самому себе. Это будет беспрецедентный прорыв в науке и первый доказанный случай несохранения лептонного числа. В таком случае нам откроется путь к пониманию того, как вещество распространилось во Вселенной настолько шире антивещества. Более того, вероятность безнейтринного двойного бета-распада тесно связана с массой нейтрино: чем больше эта масса, тем чаще происходят распады. Поэтому, измерив частоту распада нейтрино, ученые смогут достаточно уверенно определить массу этой частицы. До сих пор физикам удавалось измерить лишь разницы масс нейтрино разных типов (об этом мы говорили в главе 5), но не их абсолютную массу. Иными словами, изучив свойства этого редкого явления, мы решим сразу две задачи: найдем массу нейтрино и узнаем, является ли нейтрино собственной античастицей.

Обнаружить безнейтринный двойной бета-распад не легче, чем иголку в стоге сена, но в настоящее время этот поиск набирает обороты. Физики готовят сложнейшие эксперименты, которые позволили бы проверить гипотезу Майораны – более чем через 75 лет после того, как эта гипотеза была сформулирована. По мнению Джорджо Гратты из Стэнфордского университета, тот факт, что для постановки достаточно точных экспериментов такого рода понадобилось так много времени, свидетельствует «не только о крайней сложности измерения этого свойства, но и о том, насколько гениален был Майорана».

Ожидается, что в ближайшие пять лет будет запущено несколько таких точных экспериментов. Один из них называется «Подземная криогенная обсерватория редких событий» (CUORE), он будет проводиться в итальянской лаборатории Гран-Сассо. В эксперименте используется около 200 кг теллура; примерно треть этой массы приходится на радиоактивный теллур, который подвергается двойному бета-распаду. Детекторы CUORE охлаждены до температуры, всего на доли градуса превышающей абсолютный нуль (поэтому они очень легко регистрируют малейшие повышения температуры, происходящие в результате поглощения частицы или гамма-луча). Поскольку безнейтринный двойной бета-распад будет происходить крайне редко (если вообще будет), ученым потребуется подавить все прочие источники помех, которые в противном случае просто перекроют этот слабый сигнал. Во-первых, именно поэтому экспериментальная установка возводится под горой Гран-Сассо в Апеннинах, под сотнями метров скальных пород, блокирующих большую часть космических лучей. Во-вторых, сборка детекторов выполняется в стерильных цехах, чтобы предотвратить загрязнение атомами других радиоактивных элементов, встречающихся в природе. В-третьих, детекторы заключаются в свинцовые кожухи, каждый толщиной по 3 см, чтобы защитить оборудование от радиоактивного излучения самих скальных пород.

Однако свинец, только что добытый из руды, сам немного радиоактивен; соответственно, его собственное излучение станет помехой для измерения бета-распада. Поэтому ученым, готовившим проект CUORE, потребовалось найти очень старый свинец, который уже успел утратить почти всю свою естественную радиоактивность. Ученые превзошли сами себя в стремлении найти идеальный экранирующий материал: металл, который пошел на изготовление кожухов, взят с грузового судна, затонувшего у берегов Сардинии около 2000 лет назад. В 1988 г. остатки этого корабля обнаружил аквалангист. На судне находилось более тысячи свинцовых слитков, из которых, вероятно, предполагалось выковать снаряды для пращей – боеприпас для римских легионеров. Археологи хотели изучить клейма на слитках, чтобы больше узнать об античной морской торговле, но не смогли найти достаточно средств, чтобы поднять весь этот груз. Тогда на помощь пришли физики: Итальянский национальный институт ядерной физики выделил на подъем слитков сумму, эквивалентную $200 000. В качестве вознаграждения физики попросили себе часть добытого груза – те слитки, которые сохранились хуже всего. Они будут переплавлены и пойдут на изготовление свинцовых экранов для эксперимента CUORE.

Кроме группы CUORE в мире есть и другие проекты, участники которых в духе дружеского соперничества стремятся обнаружить безнейтринный двойной бета-распад. Еще одна группа в Европе уже эксплуатирует аппарат, который должен зафиксировать это экзотическое явление в блоке германия[37]. Эта работа также ведется в лаборатории Гран-Сассо. Американские ученые запустили собственный эксперимент под названием EXO-200 (Обсерватория с обогащенным ксеноном). Обсерватория расположена под соляным пластом неподалеку от города Карлсбад в штате Нью-Мексико, неподалеку отсюда находится могильник ядерных отходов. Тот самый соляной пласт, который накрывает этот могильник, также защищает детектор EXO-200 от космических лучей и естественной радиоактивности скальных пород. Ксенон содержится в медном криостате, который находится в растворителе; растворитель играет роль антифриза и позволяет поддерживать нужную температуру. Исследователи сделали все возможное, чтобы защитить свой аппарат от радиационного фона, который мог бы стать источником помех. Сборка установки EXO-200 выполнялась в большом стерильном цеху в специальном комплексе с толстой бетонной крышей на территории Стэнфордского университета. При работе использовались материалы, не дающие ни малейшего радиоактивного излучения, все инструменты тщательно промывались в ацетоне и спирте. Поскольку при транспортировке оборудования по воздуху установка подвергалась бы сильному воздействию космических лучей, было решено доставить аппаратуру грузовиком из Калифорнии в Нью-Мексико в герметичных контейнерах – путь к месту назначения составил больше 2000 км. Чтобы дополнительно снизить воздействие космических лучей, было решено максимально сократить время в пути – для этого к транспортировке привлекли двоих водителей, которые вели машину по очереди, и в дороге удалось обойтись без остановок. Более того, исследователи покрыли контейнеры специальной отражающей краской, чтобы в дороге они не нагревались. Сам грузовик, который использовался при перевозке, был оснащен пневматической подвеской, чтобы исключить даже малейшие вибрации, способные повредить тонкое оборудование. Тем временем японские исследователи также приступили к поиску безнейтринного двойного бета-распада в шахте Камиока; в японской установке используется 400 кг ксенона, заключенного в огромный нейлоновый баллон.

Следует отметить, что еще около 10 лет назад поступило сообщение о том, что безнейтринный двойной бета-распад удалось обнаружить. С таким заявлением выступила небольшая группа физиков под руководством Ханса Клапдор-Кляйнгротхауса из Гейдельбергского института ядерной физики им. Макса Планка в Германии. Ученые проанализировали массив данных, собранных в течение многолетнего совместного эксперимента «Гейдельберг – Москва» (в эксперименте использовались пять крупных сверхчистых кристаллов обогащенного германия, расположенных в подземной лаборатории Гран-Сассо), и сообщили, что у них действительно есть доказательства таких редких превращений. Однако другие исследователи, в том числе московские участники этой коллаборации, указали на недоработки в их анализе и усомнились, не является ли полученный результат обычной статистической флуктуацией. Хитоши Мураяма отметил, что «согласно большинству теорий, этот процесс не может идти так активно, как следует из этих результатов». С ним соглашается Гратта из Стэнфордского университета, один из ключевых представителей коллаборации EXO-200: «Большинство коллег сходятся во мнении, что безнейтринный двойной бета-распад пока наблюдать не удалось». Если каким-то чудом Клапдор-Кляйнгротхаус и его коллеги действительно не ошиблись с выводами, то их находка должна подтвердиться в других экспериментах в ближайшие несколько лет.

«Поскольку значение этих измерений сложно переоценить, представители научного сообщества считают, что для полной уверенности нам нужно несколько подтверждений, полученных на разных экспериментах», – считает Карстен Хеегер из Висконсинского университета в Мэдисоне, один из участников коллаборации CUORE. «Если действительно удастся обнаружить нечто подобное, то это будет великое событие», – добавляет он. Действительно, существует несколько причин, по которым открытие безнейтринного двойного бета-распада потрясет основы физики, астрономии и космологии. Во-первых, это открытие будет означать, что Майорана был прав и нейтрино действительно являются античастицами сами себе. Во-вторых, физики смогут непосредственно измерить абсолютную массу нейтрино, которую не удается определить на протяжении многих десятилетий. Астрономы узнают, обладают ли эти частицы достаточной массой, чтобы из них могли сформироваться первые сгустки материи в ранней Вселенной. В-третьих, такой распад будет свидетельствовать о несохранении лептонного числа, что, как подчеркивает Хеегер, «нарушает фундаментальную физическую симметрию и, следовательно, потребует в корне пересмотреть Стандартную модель». В-четвертых, космологи смогут понять, как в течение первых секунд после Большого взрыва сложилось подавляющее преобладание вещества над антивеществом. Учитывая все эти революционные перспективы, неудивительно, что охотники за нейтрино связывают большие надежды со вторым десятилетием XXI в.

Глава 8

Семена революции

Лето 2012 г. ознаменовалось одним из самых триумфальных открытий в истории физики. Два независимых эксперимента, проводившихся на Большом адронном коллайдере (БАК) в лаборатории CERN, убедительно доказали существование бозона Хиггса – одной из самых неуловимых субатомных частиц, когда-либо предсказанных физиками-теоретиками. Это открытие поставило точку в создании грандиозного свода правил – Стандартной модели физики частиц.

Но причудливые свойства нейтрино вполне могут обрушить это филигранное творение ученых – как минимум доказать его неполноту. Физики признают, что обнаружение массы у нейтрино, сколь бы малой она ни оказалась, требует уточнить Стандартную модель. Охотники за нейтрино уже ищут следы тех феноменов, которые могли бы привести к такому коренному пересмотру. Открывая все новые особенности природы нейтрино в процессе новейших тонких экспериментов, ученые не только расширяют наши представления о фундаментальных свойствах материи, но и все подробнее узнают, что же происходило в первые, важнейшие секунды после Большого взрыва и какие события разворачиваются во время прощального фейерверка, сопровождающего гибель звезды. В ходе этих опытов физики надеются использовать нейтрино, чтобы зондировать источники тепла, подогревающие Землю изнутри, искать залежи полезных ископаемых и даже препятствовать распространению ядерного оружия. Более того, предполагается, что все эти исследования не станут тяжким бременем для налогоплательщиков, которые в наше время являются основными спонсорами фундаментальной науки.

Поиски бозона Хиггса растянулись на несколько десятилетий и обошлись в несколько миллиардов долларов. Охота за этой частицей началась как довольно невинная затея: в начале 1960-х о ее существовании предположили шестеро физиков, работавших в трех независимых научных группах. По высказанной ими гипотезе, пространство пронизано невидимым силовым полем, благодаря которому некоторые элементарные частицы приобретают массу. Как это часто бывает в фундаментальной физике, данная версия сложилась на основе математических соображений о симметрии в природе. Гипотетическое силовое поле было названо «полем Хиггса» – в честь Питера Хиггса из Эдинбургского университета, одного из шести теоретиков, сформулировавших эту идею. Поле Хиггса является одной из основных составляющих Стандартной модели.

Чтобы непосредственно проверить существование поля Хиггса и определить его свойства, требовалось найти частицу, которая была бы связана с этим полем. В контексте квантовой механики бозон Хиггса можно понимать как вибрацию поля Хиггса. Если этого поля не существует, значит, нет и вибраций; соответственно, обнаружив частицу, можно было бы убедиться и в существовании самого этого поля. Чтобы создать в поле вибрацию, нужно добиться возмущения этого поля – подобно тому, как мы бросаем камень в воду и от него во все стороны расходятся круги. Ученые надеялись, что если сталкивать в ускорителе частицы очень высоких энергий, то в поле Хиггса возникнут достаточно сильные волны и удастся наблюдать бозон Хиггса. К сожалению, теория поля Хиггса не давала экспериментаторам почти никаких зацепок: она не указывала массу бозона Хиггса, поэтому физики и не могли предположить, какова должна быть энергия столкновений, чтобы эту частицу можно было зафиксировать. Некоторые ученые скептически полагали, что бозон Хиггса вряд ли вообще будет когда-нибудь обнаружен. Так, Стивен Хокинг поспорил на $100 с Гордоном Кейном из Мичиганского университета, что найти эту частицу не удастся (Кейн считал, что бозон Хиггса существует).

Обнаружение бозона Хиггса либо опровержение его существования было самой приоритетной задачей БАК – ускорителя частиц, на строительство которого ушло более десяти лет и почти $9 млрд. Над созданием ускорителя работали тысячи ученых и инженеров. Неудивительно, что, когда CERN объявил о конференции, запланированной на 4 июля 2012 г., многие предвкушали, что на этом мероприятии наконец-то будет объявлено об обнаружении неуловимой частицы. Сотни людей еще ночью начали выстраиваться в очередь, чтобы успеть занять место в аудитории. Журналисты писали, что атмосфера в лаборатории была как на рок-концерте. На конференции были представлены результаты двух экспериментов, поставленных на БАК, причем в обоих множествах данных просматривались хорошо заметные всплески над общим фоном. Эти всплески возникали, когда энергия столкновений достигала около 125 ГэВ (гигаэлектронвольт); то есть наблюдаемая частица была примерно в 130 раз массивнее протона. Исследователи практически не сомневались, что такие толчки свидетельствуют об открытии бозона Хиггса.

Питер Хиггс, которому на тот момент было уже за восемьдесят, был приглашен на конференцию в качестве почетного гостя; другими почетными гостями были еще два физика-теоретика, предсказавшие существование этой частицы. Присутствующие заметили, что Хиггс даже украдкой смахивал слезы радости. «Ждать пришлось действительно долго, – признавался он спустя пару дней на пресс-конференции в Эдинбурге, – сначала я и помыслить не мог, что доживу до этого открытия, ведь мы почти не представляли, какую массу может иметь эта частица и, соответственно, насколько мощные машины понадобятся, чтобы ее открыть». Стивен Хокинг расплатился с Гордоном Кейном. Как и многие другие физики, Хокинг согласился, что обнаружение бозона Хиггса стало важнейшей вехой в истории физики. Однако в интервью каналу Би-би-си он оговорился и об обратной стороне этого открытия: «Жаль, поскольку крупные прорывы в физике достигаются в экспериментах, дающих неожиданные результаты».

Детектор ATLAS. На нем был поставлен один из двух экспериментов БАК, подтвердивший существование бозона Хиггса (CERN)

С тех пор как было впервые объявлено об открытии бозона Хиггса, на БАК удалось получить и новые результаты, развеявшие всякие сомнения в существовании этой частицы. Ученые тщательно исследуют все данные, которые могут свидетельствовать о малейших аномалиях и, соответственно, подвести нас к открытию еще не известных феноменов. Так, не исключено, что существует не одна, а несколько разновидностей частицы Хиггса. Правда, как жаловался Хокинг, пусть обнаружение бозона Хиггса в определенном смысле и является кульминацией долгого, напряженного и захватывающего пути, оно не открывает нам новых горизонтов, так как, в сущности, просто подтверждает теоретические прогнозы. Стивен Вайнберг из Техасского университета в Остине, один из создателей Стандартной модели, выразился так: «Бозон Хиггса – последний недостающий элемент Стандартной модели, однако он не позволяет нам выйти за ее пределы».

Именно поэтому все больше физиков вновь обращаются к исследованию неуловимых нейтрино, поскольку эти частицы могут вывести нас к новой физике, за пределы уже исследованной физической реальности. Например, Стандартная модель в исходной формулировке предполагает, что нейтрино не имеют массы. Следовательно, как мы уже обсуждали в главе 5, было удивительно узнать, что нейтрино могут менять аромат, так как для этого они должны обладать очень малой, но ненулевой массой. Рассуждая о массе нейтрино, Вайнберг сказал: «Это единственный известный факт из физики элементарных частиц, указывающий, что физика не ограничивается Стандартной моделью. Но эту подсказку мы пока не в силах интерпретировать».

Георг Раффельт из Института физики им. Макса Планка в Мюнхене вторит Вайнбергу: «Физики-теоретики полагали, что нулевая масса нейтрино – это очевидный факт. Природа нас обставила». Он поделился со мной этими мыслями, когда мы обсуждали физику, выходящую за рамки Стандартной модели.

«Открытие того, что нейтрино могут осциллировать и менять аромат, поистине дает нам новые перспективы, новое направление исследований», – добавляет Вайнберг. Во многом именно по этой причине физика нейтрино, в которой лет двадцать назад царило глубокое затишье (лишь некоторые ученые продолжали работать в этой области), сейчас переживает новый бурный расцвет. Сегодня исследованием этих призрачных частиц заняты более тысячи ученых.

Физики очертили пределы, в которых может находиться масса нейтрино, но еще не измерили ее. По имеющимся данным, нейтрино должны быть как минимум в миллион раз легче электронов. По мнению Андре Де Говея из Северо-Западного университета в Чикаго, сам этот факт загадочен в контексте Стандартной модели. Де Говея отмечает: «Ноль можно было бы понять, но эти частицы все-таки обладают минимальной массой – вот что удивительно». Физики-теоретики уже заняты разработкой дополнения для Стандартной модели, так называемого «механизма качелей», который, возможно, позволит объяснить, почему масса нейтрино настолько меньше массы других элементарных частиц. Но чтобы этот механизм сработал, у знакомых нам легких нейтрино должны быть массивные аналоги. Вполне возможно, что такие гигантские аналоги нейтрино образовались сразу же после Большого взрыва и существовали какое-то время, когда Вселенная была гораздо жарче и гуще, чем сейчас. Однако, скорее всего, такие антинейтрино быстро распались на другие элементарные частицы.

Хотя мы пока и не можем экспериментально проверить гипотезу о существовании тяжелых антинейтрино, физики надеются, что в течение ближайшего десятилетия удастся точно определить массу легких нейтрино. В Германии проводится эксперимент под названием KATRIN (Тритиевый нейтринный эксперимент в Карлсруэ), призванный решить эту задачу путем тщательного исследования бета-распада – кстати, именно при изучении бета-распада Вольфганг Паули когда-то догадался о существовании нейтрино. Огромный спектрометр, используемый в эксперименте KATRIN, будет измерять энергии электронов, высвобождающихся при бета-распаде атома трития (это тяжелый изотоп водорода, в ядре которого содержится два нейтрона и протон). На основании этих данных ученые попытаются вывести массу антинейтрино, которые пока остаются неуловимыми[38].

После того как инженеры собрали 200-тонный спектрометр для эксперимента KATRIN (работа велась на заводе, расположенном в 400 км от Карлсруэ – места проведения эксперимента), они столкнулись с неожиданным препятствием: оказалось, что аппарат был слишком велик для перевозки по узким дорогам, проложенным поблизости от завода. Пришлось погрузить спектрометр на баржу и отправить его по Дунаю через всю Австрию, Венгрию, Сербию и Румынию. Там аппарат перенесли на судно, которое переправило его через Черное и Эгейское море. К тому моменту, как груз прибыл в Сицилию, он остался без защитного покрытия – его сдуло во время шторма. В сицилийском порту рабочие погрузили аппарат на специальное тяжеловесное судно, которое повезло спектрометр дальше: через Средиземное море, Гибралтарский пролив, вдоль берегов Испании и Франции к устью Рейна. Поскольку уровень воды в Рейне оказался слишком низок, судно не смогло войти в устье, и рабочим пришлось перегрузить спектрометр на понтон, чтобы преодолеть следующий этап пути.

Главный спектрометр эксперимента KATRIN прибывает в деревушку Леопольдсхафен близ Карлсруэ в юго-западной Германии, проделав путь более чем 9000 км (Karlsruhe Institute of Technology)

Позже устройство было при помощи подъемного крана перегружено с понтона на грузовик, который и доставил спектрометр в местечко Леопольдсхафен, где его встречали с настоящей помпой. Так спектрометр проделал длинный окольный путь, составивший более 9000 км и продолжавшийся два месяца. Ожидается, что эксперимент KATRIN будет запущен, когда инженеры закончат сборку и испытание оборудования.

Всплеск интереса к нейтрино, наблюдаемый в настоящее время, объясняется и еще одной причиной: эти частицы играют важнейшую роль для сближения нескольких самостоятельных научных дисциплин. Нейтрино не только могут значительно продвинуть развитие фундаментальной физики и не только подсказывают, что физические теории не ограничиваются Стандартной моделью; эти частицы крайне важны и для космологии. Они могут дать ответ на вопрос, почему во Вселенной вещества несопоставимо больше, чем антивещества (об этом мы говорили в предыдущей главе), а также помогают нам понять механизмы роста колоссальных космических структур – в частности, скоплений галактик. На самом деле одна из наиболее точных оценок предельной массы нейтрино была получена так: ученые сравнили распределение галактик в космосе и структуру той «ряби» в пространстве, которая является дальним отголоском Большого взрыва; научное название этой «ряби» – «космическое микроволновое фоновое излучение». По словам Лусии Верде из Барселонского университета в Испании, планируемые исследования звездного неба – самый перспективный фронт работ для точного определения массы нейтрино. «Если общая масса одного нейтрино составляет менее 0,2 электронвольт… то ни один из планируемых нейтринных экспериментов не позволит определить эту массу модельно-независимым образом», – объясняет она. Поэтому, возможно, для решения задачи потребуется не полагаться на наземные эксперименты, а взглянуть в небеса. Верде отмечает, что «космологические исследования обладают достаточной статистической силой, чтобы обнаружить в небе эффекты воздействия нейтринной массы, даже если она близка к минимуму, допускаемому осцилляциями».

Нейтрино, в принципе, позволяют увидеть Вселенную такой, какой она была прямо после возникновения. Пока мы можем заглянуть во времена, наступившие примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, – до этого кипящий первозданный бульон из элементарных частиц, наполнявший юную Вселенную, был непроницаем для видимого света (и других видов электромагнитного излучения). Нейтрино, в свою очередь, позволяют исследовать гораздо более раннюю эпоху, так как они свободно перемещались в пространстве, не взаимодействуя с обычным веществом, уже спустя считаные секунды после образования Вселенной. Эти реликтовые нейтрино должны быть повсюду вокруг нас, в среднем по 150 на каждый кубический сантиметр пространства. Правда, на настоящий момент они должны обладать крайне малыми энергиями, и мы пока не знаем, как обнаружить эти частицы. Некоторые физики надеются, что запланированные эксперименты позволят регистрировать как минимум несколько реликтовых нейтрино ежегодно, хотя для научных измерений требуется гораздо больше этих частиц.

В то же время нейтрино очень важны для астрофизиков, поскольку свойства нейтрино определяют жизненные циклы звезд, образование тяжелых элементов при ядерном синтезе; от свойств нейтрино зависят феерические взрывы сверхновых, а при таких взрывах во Вселенной распространяются вещества, необходимые для зарождения жизни. Нейтрино имеют огромное значение для ядерной физики, поскольку при работе ядерных реакторов и взрывах атомных бомб образуется умопомрачительное количество этих частиц.

Даже геофизики обращают внимание на нейтрино. Они надеются, что нейтрино помогут окончательно решить давний вопрос о том, каковы источники тепла, подогревающие земные недра. Спор об этом явлении впервые возник около 150 лет назад между естествоиспытателем Чарльзом Дарвином и физиком Уильямом Томсоном (позже известным под именем Лорд Кельвин). В первом издании книги «Происхождение видов путем естественного отбора»[39], опубликованном в 1859 г., Дарвин рассчитал, что на образование большой долины на юге Англии должно было потребоваться около 300 млн лет – то есть возраст Земли должен быть не меньше. Следовательно, заключал Дарвин, Земля существует достаточно давно, и за это время эволюционный процесс вполне мог привести к возникновению биоразнообразия, наблюдаемого сегодня. Томсон, один из величайших ученых своего времени, критиковал теорию естественного отбора, поэтому сомневался в предположении Дарвина. Он самостоятельно оценил возраст Земли, рассуждая так: изначально Земля находилась в расплавленном состоянии, а затем постепенно остывала. Что касается Солнца, Кельвин полагал, что Солнце медленно сжимается под действием собственной гравитации и поэтому разогревается. По обеим оценкам Кельвина возраст Земли получался явно недостаточным для биологической эволюции. Дарвина беспокоили расхождения между его оценками возраста Земли и оценками Томпсона. В письме Альфреду Расселу Уоллесу, одному из первооткрывателей естественного отбора, Дарвин сетовал: «Меня очень беспокоит малый возраст нашего мира по сэру У. Томсону». В более поздних изданиях своего труда Дарвин вообще опустил всяческие упоминания о хронологии.

В те времена наука еще не знала о ядерных реакциях – именно они, как нам сегодня известно, обеспечивают горение Солнца. Кроме того, еще не была открыта радиоактивность, под действием которой подогреваются горные породы. Следовательно, оценки Томпсона получились заниженными, так как не учитывали этих источников энергии. Сегодня возраст Земли и Солнечной системы известен с большой точностью благодаря радиометрической датировке древних горных пород и метеоритов, мы имеем более реалистичную оценку: возраст Земли составляет около 4,5 млрд лет, и этого более чем достаточно для кардинальных геологических изменений и масштабной биологической эволюции.

Однако геофизики до сих пор не могут определить, какая часть земного тепла выделяется в результате распада радиоактивных элементов, а какая обусловлена постепенным остыванием нашей планеты, которая когда-то была огненным шаром. Считается, что большая часть естественной теплоты нашей планеты связана с делением ядер урана и тория, однако точные запасы этих элементов до сих пор не известны, поскольку они сильно рассеяны в земных недрах. Таким образом, сегодня мы гораздо полнее представляем себе состав Солнца, чем состав Земли.

Сегодня благодаря современным высокочувствительным детекторам ученые могут зондировать недра нашей планеты, наблюдая за антинейтрино, образующимися в ходе распада радиоактивных ядер в земных породах. Технические возможности для этого появились недавно, но сама идея подобных исследований не нова. Еще в 1953 г. в письме Фредерику Рейнесу известный физик и специалист по космологии Георгий Гамов указывал, что существует возможность обнаружить нейтрино земного происхождения. Позже, в начале 1980-х, трое других физиков – Лоренс Краусс, Шелдон Глэшоу и Дэвид Шрамм – подробно рассчитали, сколько нейтрино должно образовываться в земной коре каждую секунду. «Воодушевившись замечательными экспериментами, которые позволили открыть солнечные нейтрино… мы с коллегами стали размышлять о других естественных источниках нейтрино. Один из них оказался буквально у нас под ногами, – вспоминает Краусс. – Когда мы подсчитали, сколько таких нейтрино могут образовываться в результате распада радиоактивных элементов, находящихся в Земле, у нас получилось почти такое же большое число, как примерное количество нейтрино, прилетающих на Землю с Солнца, даже в низкоэнергетическом спектре». Он добавляет: «Мы также осознали, что перед нами стоит гораздо более сложная задача, чем перед Дэвисом, пытавшимся обнаружить солнечные нейтрино (не говоря о том, насколько труднодостижима была и его цель). Вот мы и написали статью, в которой предположили, что такое исследование никогда не будет проведено».

Трое коллег-физиков показали, что, в принципе, антинейтрино позволят нам заглянуть глубоко в недра Земли и способны немало сообщить о составе нашей планеты, поскольку количество частиц, испускаемых каждую секунду, непосредственно характеризует общую радиоактивность Земли. Поэтому при наблюдении таких нейтрино, образующихся в горных породах (сегодня они называются «геонейтрино»), можно определить количество урана и тория в земной коре и глубже – в мантии.

А теперь перенесемся в Японию на два десятилетия вперед. В 2005 г. с помощью детектора KamLAND, изначально построенного для проведения экспериментов, связанных с физикой частиц, впервые обнаружили геонейтрино, предсказанные еще Гамовым. Удалось зафиксировать всего 25 таких нейтрино, но это было очень важное достижение. Ацуто Судзуки, спикер коллаборации KamLAND, объявил об этом в пресс-релизе, выразившись так: «Теперь у нас есть диагностический инструмент, позволяющий заглянуть в недра Земли. Впервые можно утверждать, что для нейтрино нашлось практическое применение за пределами физической науки».

Прошло еще пять лет, прежде чем эксперимент Борексино, проводимый в Италии, дал независимое подтверждение открытию японских ученых. К 2011 г. команда KamLAND улучшила свою статистику, зафиксировав более 100 геонейтрино – это удалось сделать, усовершенствовав детектор. Очень кстати пришлась и неожиданная остановка расположенных поблизости ядерных реакторов – ведь они порождают очень много нейтрино, чем осложняют наблюдения за геонейтрино.

Исходя из количества геонейтрино, которые удалось обнаружить, ученые заключают, что в результате распада радиоактивных элементов Земля генерирует около 20 ТВт (тераватт) тепловой энергии в секунду (для сравнения: общее количество энергии, потребляемой человечеством, составляет до 15 ТВт). Ученые также могут рассчитать, сколько всего тепла отдает наша планета (для этого измеряется температура на дне буровых скважин). Суммарно наша планета выделяет около 44 ТВт. Таким образом, на радиоактивный распад приходится менее половины этой величины. Оставшаяся энергия генерируется в результате остывания нашей планеты – то есть эта энергия сохранилась со времен формирования Земли. Подобные результаты опровергают геофизические модели, согласно которым наша планета уже потеряла все свое первозданное тепло и в настоящее время подогревается только от радиоактивного распада.

Более точные эксперименты позволят ученым подробнее изучить состав основных земных пород и проверить различные сценарии их формирования. Кроме того, физики надеются узнать, какую роль тепловая энергия радиоактивного распада играет в тектонике плит (и играет ли вообще). Тектоника плит – это медленное движение крупных фрагментов земной коры, в результате которого формируются очертания континентов и образуются горные хребты. Георг Раффельт отмечает: «Благодаря буровым скважинам, землетрясениям и вулканам мы получаем сведения о поверхностных слоях земной коры, но нейтрино позволят нам заглянуть гораздо глубже. Они подскажут, правильно ли мы понимаем структуру Земли».

Готовится запуск детектора геонейтрино в нейтринной обсерватории Садбери на севере канадской провинции Онтарио. Эта установка, называемая SNO+, будет самой глубокой в мире, расположенной более чем в 2 км под землей, и в настоящий момент – самой чувствительной. Огромная глубина позволяет минимизировать помехи, возникающие из-за прилетающих на Землю космических лучей и осложняющие поиск нейтрино. Кроме того, SNO+ находится вдали от каких-либо атомных электростанций, поэтому, в отличие от KamLAND, в этой лаборатории не приходится отсеивать потоки реакторных нейтрино, перекрывающие и без того едва уловимый геонейтринный сигнал. Планируется создание и других детекторов, в частности, Low-Energy Neutrino Astronomy – LENA (Низкоэнергетическая нейтринная астрономия)[40] в Европе и India-based Neutrino Observatory, INO (Индийская нейтринная обсерватория). Эти научные комплексы также подключатся к ловле геонейтрино. Кроме того, Джон Лирнид из Гавайского университета продвигает идею создания антинейтринной обсерватории на дне Тихого океана. Такая обсерватория, выстроенная на тонкой океанической коре, сможет точнее материковых детекторов измерить вклад мантии в общий тепловой баланс Земли. Согласно современным теориям, уран и торий распределены в мантии практически равномерно, но Лирнид в этом сомневается. Например, отмечает он, эти элементы могут быть сконцентрированы на границе между земной корой и мантией. Данные, полученные из разных уголков земного шара, позволят геофизикам картировать распространение этих элементов, чтобы лучше понять природу земной радиоактивности.

Некоторые физики стремятся даже к более амбициозным целям. Поскольку осцилляции нейтрино заметно отличаются в зависимости от плотности пород, через которые пролегает путь частицы, исследователи планируют направлять пучки нейтрино из одной точки земной коры в другую и таким образом зондировать структуру коры. Если бы удалось использовать мощные пучки нейтрино, генерируемые в ускорителях и высокочувствительных детекторах, то можно было бы фактически просканировать всю земную кору и найти большие полости, заполненные водой или залежами минералов. По схожему принципу делаются стоматологические рентгеновские снимки. Возможно, такая технология даже позволит обнаружить нефтеносные геологические формации, что, конечно же, будет интересно нефтедобывающим компаниям. Однако для реализации такого механизма требуются нейтринные пучки в тысячи раз более мощные, чем создаются в современных ускорителях частиц. Поэтому пока разведка нефтяных месторождений при помощи нейтринных пучков практически нереализуема.

Тем временем охотники за нейтрино, проявив восхитительную научную интуицию, случайно помогли морским биологам, изучающим глубоководную фауну. Необычный альянс возник неспроста: оказалось, что шум, который казался физикам досадной помехой, для биологов был ценным сигналом. В 2005 г. итальянские физики занимались постройкой Средиземноморской нейтринной обсерватории (NEMO) на шельфе Сицилии и обдумывали, как можно было бы целенаправленно «слушать» частицы, а не просто фиксировать бледные вспышки, возникающие при случайных соударениях нейтрино с молекулами воды. Они опирались на теоретические расчеты, согласно которым высокоэнергетические нейтрино, взаимодействующие с молекулой, должны порождать едва заметную акустическую волну. Поскольку под водой звук перемещается дальше, чем свет, для более эффективного обнаружения нейтрино стоило попробовать развернуть акустические детекторы. На самом деле ученые признают, что чувствительные звуковые детекторы могут уловить характерный «хлопок», издаваемый нейтрино, на расстоянии нескольких километров. Самое сложное, разумеется, – различить этот хлопок на окружающем звуковом фоне.

Физики из обсерватории NEMO понятия не имели, какие звуки будут преобладать в царстве Нептуна, в 1,5–2 км от поверхности Средиземного моря. Морские биологи предполагали, что на такой глубине вряд ли будет тихо, но им не хватало информации для более конкретного прогноза. Поэтому они были рады принять от физиков любую помощь, которая позволила бы прояснить ситуацию. В начале 2005 г. две группы ученых установили четыре сверхчувствительных гидрофона (микрофона для работы под водой) на испытательной площадке обсерватории NEMO. Устройства были подключены к кабелю, который ретранслировал данные на компьютер, установленный на близлежащем пирсе. Неудивительно, что гидрофоны записали фоновый шум от естественного волнения воды и движения судов. Иногда в записи прослушивались громкие всплески, вызываемые гребными винтами больших кораблей. Но ученые обратили внимание на специфические щелчки – эти звуки издавали кашалоты, прогонявшие сжатый воздух через свои носовые полости. Такие щелчки – одни из самых громких звуков, которые способны издавать животные. Вероятно, с их помощью кашалоты зондируют морские глубины и отыскивают добычу – примерно по такому же принципу летучие мыши используют эхолокацию при ориентировании. Ученые также слушали последовательности щелчков (такая последовательность называется «кода»), при помощи которых киты общаются друг с другом.

Прослушав сотни записей, биологи пришли к выводу, что кашалоты встречаются в Средиземном море гораздо чаще, чем можно было судить по предыдущим исследованиям, проводившимся на меньших глубинах. Теперь ученые хотят использовать глубоководные акустические системы, чтобы отслеживать численность и перемещения китообразных с течением времени. Биологи планируют выяснить, мигрируют ли киты из Атлантического океана в Средиземное море и обратно, есть ли у таких путешествий сезонная цикличность. Более того, благодаря результатам первых исследований акустическое оборудование было развернуто еще в нескольких точках на морском дне по всему миру[41]. В частности, следует упомянуть подводный нейтринный телескоп ANTARES, установленный поблизости от побережья Франции[42].

Пока не ясно, смогут ли физики обнаружить нейтрино при помощи акустических приборов. Но уже планируется постройка подводной нейтринной обсерватории нового поколения KM3NeT, в которой будет установлена целая система гидрофонов. Гидрофоны помогут позиционировать оптические детекторы, а также пригодятся биологам, собирающимся изучать не только кашалотов, но и финвалов, и клюворылов – на огромных глубинах. Тем временем ученые из обсерватории NEMO совершили еще одно удивительное открытие: они обнаружили цепочки глубинных водоворотов, которые никто не ожидал встретить в закрытом Средиземноморском бассейне. Теперь ученые пытаются определить, сформировались ли эти водовороты именно в Средиземном море либо «приплыли» издалека, преодолев сотни километров. Нейтрино, которые в свое время интересовали только физиков-теоретиков, сегодня могут совершенно неожиданным образом приоткрыть для нас тайны подводного мира.

В обозримом будущем охотники за нейтрино смогут внести свой вклад даже в борьбу за мир. При помощи нейтрино можно выслеживать операторов нелегальных ядерных реакторов, ловить контрабандистов, приторговывающих плутонием, и даже остановить тех, кто попытается собрать самодельную атомную бомбу. В настоящее время ученые исследуют перспективы использования нейтринных детекторов для предотвращения распространения ядерного оружия. В таком контексте Георг Раффельт подчеркивает: «Возможно, даже для такой экзотической частицы, как нейтрино, найдется практическое применение». Ядерные реакторы, используемые для производства электроэнергии, – это потенциальный источник оружейного плутония, который со временем накапливается в реакторе – по мере того, как происходит деление ядер урана и уран распадается на более тяжелые элементы. МАГАТЭ стремится помешать распространению ядерного оружия и для этого наблюдает за реакторами, используемыми в энергетике. Периодически инспекторы агентства сравнивают регистрационные записи, сделанные операторами реакторов, с собственными данными, чтобы проверить, не ведется ли на станции какой-нибудь подозрительной деятельности – например, не слишком ли часто останавливают реактор для замены топливных элементов. Современные инструменты для такого мониторинга требуют доступа к коммуникациям реактора – например, для отслеживания того, сколько хладагента было израсходовано. Но такое оборудование неудобно, недешево, а его данные легко подделать.

К счастью, те самые реакции, в ходе которых из урана образуется плутоний, дают и побочный продукт: антинейтрино. Эти антинейтрино – средство для непосредственного измерения параметров ядерных реакций в реальном времени – просто находка для международных наблюдателей. Раффельт говорит: «Антинейтрино не врут». Не существует способа удержать эти частицы в реакторе и скрыть связанную с ним незаконную деятельность, если рядом с реактором установлен детектор нейтрино. На обычных АЭС топливные элементы эксплуатируются непрерывно, до тех пор, пока радиоактивного горючего в них не останется, – как правило, срок службы такого элемента составляет около полутора лет. По прошествии этого периода, когда ядерного топлива на АЭС становится меньше, уровень вырабатываемой энергии (а также поток нейтрино) медленно иссякает по естественным причинам. Но если кто-то очень хочет запастись плутонием, то реактор нужно будет останавливать как минимум на сутки один раз в несколько недель, чтобы поменять элементы. «Топливные стержни должны прожариться в течение строго определенного времени, чтобы в них образовался плутоний, – поясняет Джон Лирнид, – поэтому если найдется реактор, который останавливают раз в месяц, то можно быть уверенным, что там изготовляют начинку для бомб».

Теоретически измерение количества антинейтрино, испускаемых реактором, позволило бы тщательно следить за эксплуатацией этого реактора. Но на практике возникают определенные осложнения. В частности, сложно сконструировать детектор нейтрино, который был бы компактен и при этом достаточно точен. Другая проблема – экранировать такой детектор от блуждающих частиц, например от космических лучей. Кроме того, как объясняет Лирнид, «операторы промышленных атомных электростанций не желают, чтобы яйцеголовые физики шатались по их предприятиям. Кто знает, чего они там натворят!». Тем не менее ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе и из Сандийских национальных лабораторий протестировали прототип такого устройства на АЭС в Южной Калифорнии. Этот прибор размером примерно с холодильник содержал почти 600 кг нефтяного масла. Детектор, установленный в 10 м под землей, позволил измерить поток нейтрино, идущих от близлежащего реактора, и определить генерируемую мощность этого реактора с точностью до долей процента. Прибор позволил узнать даже те часы, в которые реактор был выключен.

Конечно, результаты этого испытания выглядят многообещающими, но они же демонстрируют и недостатки предложенной технологии. Во-первых, нейтринные детекторы на нефтяных маслах очень сложно устанавливать. Поэтому исследователи из нескольких стран – в том числе Бразилии, Канады, Франции и США – экспериментируют с детекторами, где вместо нефтяных масел применяются вода или пластик[43]. Кроме того, не под каждой атомной станцией можно установить детектор. Однако при большой мощности ректора это не является проблемой. Если детектор расположен достаточно близко от реактора, то поток нейтрино будет заметен гораздо лучше любых фоновых «помех», вызываемых космическими лучами. Некоторые ученые ожидают, что компактные и надежные детекторы антинейтрино уже в ближайшей перспективе будут устанавливаться на АЭС, чтобы гарантировать соответствие эксплуатации этих станций нормам МАГАТЭ. Операторы АЭС даже могут извлечь из этого экономическую пользу: усовершенствовать свои реакторы, корректируя их работу по результатам отслеживания потока нейтрино в реальном времени. В случае аварии или нештатной ситуации нейтринный детектор сможет инициировать экстренную остановку реактора.

Другие ученые мыслят еще более масштабно, полагая, что их работа может быть интересна службам разведки и национальной безопасности. Изучаются возможности не только следить на расстоянии за известными атомными станциями, но и выявлять тайные реакторы, существование которых скрывается от МАГАТЭ. Действительно, мощные реакторы скрыть довольно сложно – поскольку они излучают достаточно много тепла, их не составляет труда засечь со спутника. Наблюдатели наиболее обеспокоены станциями среднего размера, находящимися на территории стран-изгоев. Подобные реакторы гораздо легче спрятать, но на них образуется достаточно плутония, чтобы делать по атомной бомбе в год.

Лирнид указывает, что, исходя из ориентировочных расчетов, новые технологии позволят дистанционно обнаруживать ядерные реакторы. «Разумеется, чем дальше вы находитесь, тем более крупный детектор вам понадобится». Такое устройство должно находиться в нейтральных водах и отслеживать, нет ли в опасной стране нелегальных ядерных реакторов. Лирнид даже планировал купить старую русскую подводную лодку, чтобы экспериментально проверить такую идею. В аналогичном направлении работает и группа из Французской комиссии по альтернативной и атомной энергии во главе с Тьерри Ласером. Французские ученые предлагают переоборудовать мощный нефтяной танкер в гигантский детектор антинейтрино и с его помощью отыскивать нелегальные атомные станции. Они выбрали для своего проекта название, достойное шпионского романа: SNIF (Секретный искатель нейтринных взаимодействий). Пока оба эти проекта далеки от реализации, учитывая чудовищные технологические и политические препятствия, с которыми придется столкнуться. Тем не менее они, вероятно, заслуживают дальнейшей проработки.

Возможно, в будущем детекторы нейтрино также помогут обнаруживать тайные испытания атомных бомб. Современные технологии такого обнаружения связаны с фиксацией сейсмических толчков, возникающих при взрыве. «Но эти приборы не позволили опознать несколько взрывов, а также дали множество ложных тревог – то есть обычные сейсмические толчки были приняты за отголоски ядерных взрывов», – поясняет Лирнид. Более того, если при испытании использовать амортизирующие материалы, а также менять размеры полости для закладки заряда, то выяснить точные параметры взрыва будет достаточно сложно. «Если мы обнаружим хотя бы один нейтрино, то это уже скажет нам о многом. Если время его регистрации точно совпадает с сейсмическим толчком, то можно констатировать, что это действительно был ядерный взрыв, – продолжает Лирнид. – Если измерить свойства 10 нейтрино, то мы сможем вполне точно определить магнитуду взрыва». Лирнид полагает, что сеть больших детекторов нейтрино, раскинутая по всему миру, позволила бы лучше отслеживать ядерные испытания. Он выступает за двойное использование нейтринных обсерваторий, где можно было бы одновременно заниматься и фундаментальной наукой, и разведкой. «Конечно же, меня по-настоящему привлекают именно научные возможности таких больших детекторов», – признается он.

Существуют и довольно зыбкие идеи практического применения нейтрино. В частности, можно попытаться использовать их для связи на больших расстояниях – ведь эти частицы беспрепятственно проходят практически через что угодно. Можно представить себе, как мы посылаем нейтринный луч с закодированным сообщением из одной точки в другую прямо через земной шар. Радиосигналу в таком случае потребовалось пройти множество спутников – ретрансляторов либо его пришлось бы передавать по трансокеаническим кабелям, опутывающим весь земной шар. Другой ученый в том же духе предложил использовать пучки нейтрино для трансляции сообщений на подводные лодки, идущие на большой глубине. Однако, чтобы такая технология имела шансы на успех, луч нейтрино должен быть в миллион раз сильнее, чем пучки, применяемые в современных экспериментах. Принять такой сигнал на стороне получателя – также крайне нетривиальная задача.

Тем не менее группа физиков уже провела первые опыты по налаживанию нейтринной коммуникации. Физики сгенерировали в лаборатории Fermilab нейтринный луч и стали бомбардировать пучками частиц гигантский подземный детектор, расположенный примерно в километре от лаборатории. Команда записала слово «neutrino» в стандартном двоичном коде, который преобразует символы в последовательности нулей и единиц. Детектор-приемник успешно зарегистрировал это простое сообщение, хотя оно и прошло через километр сплошного камня. Частота сообщения составляла жалкие 0,1 бит в секунду, и на передачу восьми символов ушло более двух часов. Как написали исследователи, «полученный результат доказывает осуществимость такой передачи данных, но в то же время свидетельствует о необходимости значительной доработки нейтринных пучков и детекторов, чтобы их можно было использовать на практике». Иными словами, не стоит в ближайшем будущем ожидать появления нейтринных телефонов – тем более нейтринных мобильников.

Суровая реальность не смущает других ученых, продолжающих создавать еще более экзотические проекты. Один исследователь предложил связать финансовые центры в разных частях света, занятые высокочастотным трейдингом, при помощи закодированных нейтринных лучей, пронизывающих Землю насквозь, по кратчайшему пути. Такой способ связи позволит трейдерам выигрывать до нескольких десятков миллисекунд на каждой сделке. Джон Лирнид, а также его коллеги Сандип Пакваса из Гавайского университета и Энтони Зи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре предлагают посылать нейтринные сигналы в космос для поиска внеземной жизни. Поскольку нейтрино летят через пространство, практически не встречая сопротивления, сторонники такого проекта считают, что эти частицы могли бы стать отличным средством связи между разумными цивилизациями.

Как ни увлекательны на первый взгляд некоторые из описанных технологий, охотников за нейтрино более всего интересуют чисто физические аспекты изучения нейтрино. Поскольку нейтрино определенно обладают ненулевой массой (что противоречит Стандартной модели), на горизонте нас ждет что-то новое. Как отмечает физик Борис Кайзер, сотрудник Fermilab, «физика ошибочна везде, где ее нельзя признать безошибочной». Он имеет в виду, что любая физическая теория применима только в той области, для которой эта теория формулировалась. «Стандартная модель отлично работает в сфере энергий, для которых она разрабатывалась, но может не соблюдаться при значительно более высоких энергиях», – поясняет он. Ситуация напоминает взаимосвязь между ньютоновской и эйнштейновской теорией тяготения. Кайзер отмечает: «Законы Ньютона отлично работают, если речь идет об отправке космического корабля на Луну. Но если вы хотите отправить зонд на другой конец Галактики, разогнав этот аппарат до 90 % скорости света, то вам придется опираться на теорию Эйнштейна». Аналогично у нас возникнет потребность заменить Стандартную модель более масштабной теорией, чтобы понять, какие процессы происходят при экстремальных условиях, подобных тем, что сложились сразу же после Большого взрыва.

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]. 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].

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.

Нейтрино, донельзя застенчивые частицы, впервые описанные восемьдесят с лишним лет назад Вольфгангом Паули, стремившимся преодолеть кризис в квантовой теории, могут дать начало восхитительной новой главе в истории современной физики, не говоря уже о зарождающихся возможностях практического применения этих частиц в геологии и ядерном мониторинге. Открытия современных охотников за нейтрино вполне могут основательно изменить многие наши представления о Вселенной, о микромире и мегамире, а возможно – положить конец нашим теориям, касающимся космологии и физики частиц. Действительно, стоит присмотреться к нейтрино, так как они могут указать нам путь в будущее. Лучше всего эту идею выразила Линдли Уинслоу из Массачусетского технологического института: «Если во Вселенной происходит что-нибудь по-настоящему интересное, то в этом обычно замешаны нейтрино».

На самом деле нейтрино не раз обескураживали и удивляли теоретиков, озадачивали маститых экспериментаторов, а также неизменно увлекали любых ученых своей странной и неуловимой природой. Прошло уже немало времени с тех пор, как Паули скрепя сердце решился на «отчаянную попытку», а Энрико Ферми дал нейтрино такое ласковое название. Поначалу изучение нейтрино шло очень медленно. После гипотезы Паули минуло почти четверть века, прежде чем Фред Рейнес и Клайд Коуэн впервые смогли поймать эту призрачную частицу. Рэй Дэвис и Джон Бакал корпели над тайной дефицита солнечных нейтрино в течение тридцати лет. Несмотря на блестящие озарения Бруно Понтекорво, высказанные им уже очень давно, физики не могли экспериментально подтвердить изменчивость нейтрино вплоть до конца XX в. Но в последние годы темп исследований, связанных с нейтрино, сильно ускорился. Изучая осцилляции, при которых эти частицы меняют аромат, исследователи впервые убедились, что физика не ограничивается Стандартной моделью. При помощи сложнейших компьютерных моделей физики-теоретики постепенно приходят к пониманию важнейшей роли, которую нейтрино играют при гибели массивных звезд. Физики-экспериментаторы вооружились высокочувствительными детекторами и ждут ближайшего взрыва сверхновой в нашей Галактике – желательно, не слишком далеко от Земли. Другие исследователи применяют нейтрино для зондирования земных недр и разрабатывают на основе нейтрино новые методы ядерного мониторинга. Наконец мы вот-вот сможем проверить гипотезу Этторе Майораны о том, что нейтрино могут не отличаться по свойствам от антинейтрино. Если это действительно так, то мы разгадаем великую тайну о тотальном преобладании вещества над антивеществом в нашей Вселенной. Охотники за нейтрино приближаются к следующему грандиозному рубежу в своей эпической одиссее.

Благодарности

Многие полагают, что писательский труд – это работа в одиночестве. Глубокой ночью автор сидит за ноутбуком и что-то печатает, пока полмира спит. Но эта книга не увидела бы свет без совместных усилий множества людей. Покойный отец с малых лет привил мне любовь к литературному творчеству, а за последующие годы мне довелось общаться со многими великолепными редакторами, оттачивавшими мой стиль. Практикующему ученому порой бывает непросто найти время, чтобы написать научно-популярную книгу для широкого круга читателей, но этот труд щедро вознаграждается и просто интересен. Работа над книгой «Охотники за нейтрино» позволила мне окунуться в яркий и захватывающий научный мир, который во многом не похож на мою основную сферу научных интересов, по достоинству оценить его многообразные связи не только с фундаментальной физикой, космологией и астрофизикой, но и с геологией, и с ядерной энергетикой.

Я хотел бы поблагодарить множество ученых, у которых брал интервью, которые проясняли некоторые вопросы, помогали разобраться в том или ином контексте и/или вычитывали части книги. Среди них – Джон Биком, Сампа Бхадра, Джанет Конрад, Андре де Говея, Алекс Фридленд, Джорджо Гратта, Френсис Хальцен, Карстен Хеегер, Кристофер Джонс, Борис Кайзер, Эд Кёрнс, Брайан Кирби, Спенсер Клейн, Джон Лирнид, Кам Бю-Люк, Арт Макдональд, Хитоси Мураяма, Скотт Озер, Георг Раффельт, Кейт Скулберг, Лисья Верде, Стивен Вайнберг и Линдли Уинслоу. Некоторые из них не только терпеливо отвечали на мои многочисленные вопросы, но и оперативно делились всеми идеями, возникавшими у них. Отдельную благодарность выражаю Ральфу Харви за экспедицию ANSMET, Найджелу Смиту за экскурсию по SNOLAB, Деборе Харрис за то, что показала мне лабораторию Fermilab, Фреду Раабу, показавшему мне комплекс LIGO в Хэнфорде. Другие помогали мне подыскивать иллюстрации и получать права на их использование: Лили Бэй из Института исследования космических лучей (Япония), Эразмо Реками из Государственного университета Бергамо (Италия), Джейн Коропсак из Брукхейвенской национальной лаборатории, Саманта Куула из SNOLAB, Лорел Норрис из «Ледяного куба», а также Уильям Тричук из коллаборации ATLAS.

C особым удовольствием упомяну замечательный коллектив и вдохновляющую атмосферу Рэдклиффского института перспективных исследований в Гарварде, где воплотилась идея написания этой книги (не говоря уже о том, какая изумительная там кофемашина)! Натания Волански помогала мне с подготовительными исследованиями на раннем этапе работы с книгой, отдельное спасибо ей за то, что подсказала примеры упоминания нейтрино в популярной культуре и помогла собрать информацию о многочисленных нейтринных экспериментах, проводящихся по всему миру.

Я благодарен Аманде Мун из Scientific American/Farrar, Strauss and Giroux за то, что она так добросовестно, вежливо и терпеливо вела подготовку рукописи. Члены редакторской группы, в частности Дэниэл Герстле и Кристофер Ричардс, а также литературный редактор Крис Петерсон поработали на славу. Не меньшей благодарности заслуживает выпускающий редактор Энни Готлиб, которая не только внимательно и тщательно работала, но и была очень мила в общении. Лора Стефенсон отлично поработала, подготовив две иллюстрации. Джим Джиффорд из HarperCollins (Канада) и Робин Деннис из Oneworld (Великобритания) поддерживали меня с искренним энтузиазмом. Мой агент Джон Пирс из Westwood Creative Artists постоянно подбадривал меня, при необходимости сглаживая острые углы и приободряя меня в трудную минуту. Наконец, благодарю всю мою семью и друзей, особенно мою изумительную жену Кэтрин, за то, что все они в меня верили.

Глоссарий

CERN – сокращенное название Европейской организации ядерных исследований, от французского «Conseil Europeén pour la Recherche Nucléaire».

Kamiokande – сложносокращенное название, означающее «Эксперимент по изучению ядерного распада в Камиока». Изначально эксперимент готовился для наблюдения за потенциально возможным распадом протонов, период полураспада которых должен быть гораздо больше нынешнего возраста Вселенной. Однако Kamiokande, а также Super-Kamiokande – усовершенствованная версия этого эксперимента – позволили значительно продвинуться в изучении нейтрино. Эксперимент особенно известен тем, что в ходе него были зафиксированы нейтрино, прилетевшие на Землю после взрыва сверхновой 1987А, а также тем, что в ходе этого эксперимента были измерены осцилляции нейтрино.

Sanduleak –69° 202 – номенклатурное название голубого сверхгиганта, который превратился в сверхновую 1987А.

Super-Kamiokande (Super-K) – см. Kamiokande.

Альфа-излучение (альфа-частица) – совокупность двух протонов и двух нейтронов, фактически – ядро гелия. Когда радиоактивное ядро испускает альфа-частицу, оно превращается в ядро другого элемента, стоящего на две клетки ближе к началу периодической системы Менделеева.

Аннигиляция – процесс, происходящий при контакте частицы с античастицей. Например, когда аннигилируют позитрон и электрон, выделяются гамма-лучи.

Антивещество – материя, состоящая из античастиц. Частица и античастица имеют одинаковую массу, но противоположный заряд и спин.

Аромат – термин квантовой физики, означающий сорт частицы. Существует три аромата нейтрино, которые ассоциированы с электроном, мюоном и тау-частицей.

Атмосферные нейтрино – нейтрино, образующиеся в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей.

Барионы – семейство субатомных частиц, каждая из которых состоит из трех кварков. Барионы участвуют в сильных взаимодействиях.

Белый карлик – компактное плотное ядро звезды, потерявшей свои внешние слои. Именно такова последняя стадия существования звезд, сравнимых по размеру с нашим Солнцем, которые недостаточно массивны, чтобы претерпеть сверхновый взрыв.

Бета-лучи – быстрые электроны или позитроны, испускаемые некоторыми радиоактивными ядрами.

Бета-распад – спонтанная трансформация атомного ядра, при которой нейтрон превращается в протон, испуская электрон и антинейтрино.

Бетельгейзе – звезда, красный сверхгигант, расположенный на «правом плече» созвездия Орион. Основной кандидат на превращение в сверхновую в недалеком будущем.

Бозон Хиггса – элементарная частица, которая, согласно Стандартной модели, ассоциирована с полем Хиггса и сообщает некоторым другим элементарным частицам массу. Летом 2012 г. на Большом адронном коллайдере было проведено два эксперимента, подтвердившие существование бозона Хиггса.

Большой адронный коллайдер (БАК) – самый мощный в мире ускоритель частиц, расположенный в лаборатории CERN в Женеве.

Большой взрыв – процесс, в результате которого возник космос. Доказательства теории Большого взрыва – наблюдаемое расширение Вселенной, реликтовое микроволновое излучение и относительная распространенность легких элементов.

Водород – самый легкий и самый распространенный элемент во Вселенной. В ядре самого распространенного изотопа водорода содержится всего один протон. В атоме значительно более редкого изотопа, так называемого «тяжелого водорода» содержится протон и нейтрон.

Галактика – большой звездный остров, в котором, как правило, насчитывается от сотен миллионов до миллиардов звезд, а также содержится большое количество звездной пыли и газа. Содержимое галактики удерживается вместе под действием собственной гравитации. См. также Млечный Путь.

Гамма-лучи – электромагнитное излучение, обладающее еще большей энергией, чем рентгеновское. Длина волны у гамма-лучей еще короче, чем у рентгеновских. Некоторые радиоактивные вещества испускают гамма-лучи. Гамма-лучи также образуются при контакте вещества и антивещества (при аннигиляции).

Гелий – самый легкий после водорода и второй по распространенности элемент во Вселенной, в ядре которого содержится два протона. В ходе звездного ядерного синтеза водород превращается в гелий; в дальнейшем возможно превращение гелия в углерод, а углерода – в кислород.

Гелиосейсмология – наука о волнообразных возмущениях Солнца, изучающая недра нашей звезды.

Геонейтрино – нейтрино, образующиеся при распаде радиоактивных элементов в недрах Земли.

Гидрофон – микрофон, предназначенный для использования под водой.

Голубой сверхгигант – поздняя стадия развития массивной звезды, характеризующаяся высокими поверхностными температурами (десятки тысяч градусов Цельсия) и большим радиусом (в десятки раз больше, чем у Солнца).

Гравитационные волны – рябь пространственно-временного континуума, которая распространяется как волны. При поглощении тел черными дырами или нейтронными звездами генерируются сильные гравитационные волны. Существование гравитационных волн предсказано общей теорией относительности Эйнштейна, и, хотя эти волны пока не удалось непосредственно наблюдать, имеются убедительные косвенные доказательства в пользу их существования.

Двойной бета-распад – редкое явление, при котором два нейтрона в одном и том же ядре одновременно превращаются в два протона. При этом выделяется два нейтрино и два антинейтрино. Если нейтрино действительно являются собственными античастицами, как предполагал Этторе Майорана, то антинейтрино, испускаемые одним нейтроном, могут быть немедленно поглощены другим; в таком случае произойдет так называемый «безнейтринный двойной бета-распад». Если физики докажут, что безнейтринный двойной бета-распад действительно случается в природе, то гипотеза Майораны подтвердится и у нас появится возможность объяснить асимметрию в количестве вещества и антивещества.

Дейтерий – изотоп водорода, в ядре которого содержится один протон и один нейтрон, а не просто один протон, как в обычном водороде.

Деление ядра – распад атомного ядра на более легкие фрагменты. Зачастую при делении ядра выделяется большое количество энергии и элементарных частиц, например нейтронов.

Длина волны – расстояние между двумя соседними гребнями волны.

Задержка времени – в теории относительности – разница в количестве истекшего времени, замеренная двумя разными наблюдателями. Может возникать потому, что один из наблюдателей движется относительно другого с очень большой скоростью либо если сильно отличается сила гравитации, испытываемой двумя этими наблюдателями.

Излучение Черенкова – характерное бледно-голубое излучение частиц, например электронов или протонов, движущихся в определенной среде (например, в воде или во льду) со скоростью, превышающей скорость света в той же среде. Тем не менее их скорость не превышает скорости света в вакууме.

Изотопы – различные типы атомов, относящиеся к одному и тому же химическому элементу. Все изотопы одного элемента содержат разное количество нейтронов. Некоторые изотопы радиоактивны, поэтому распадаются на атомы других типов, спонтанно испуская частицы и излучение. Дейтерий – один из изотопов водорода.

Искусственная радиоактивность – радиоактивность, спровоцированная в стабильном веществе путем бомбардировки его атомов высокоскоростными элементарными частицами.

Камера Вильсона – прибор, позволяющий обнаруживать заряженные частицы по следам, которые они оставляют в пересыщенном водяном паре или в парах спирта. Карл Андерсон в 1930-е гг. при помощи пузырьковой камеры открыл позитрон и мюон.

Квант – дискретный пучок энергии, который может излучаться или поглощаться атомом. Фотон – один квант света.

Квантовая механика – физическая теория, разработанная в начале XX в., описывающая феномены микромира и взаимодействия между материей и излучением на уровне квантов и вероятностей.

Кварк – класс элементарных частиц, из которых состоят протоны и нейтроны. Существует шесть ароматов кварков.

Корпускулярно-волновой дуализм – концепция квантовой механики, согласно которой частица может проявлять как свойства частицы, так и свойства волны. Так, можно считать, что свет одновременно состоит и из волн, и из частиц.

Космические лучи – быстрые частицы (протоны или атомные ядра), прилетающие из глубокого космоса и постоянно бомбардирующие верхние слои атмосферы. В последнее время появляются все более убедительные доказательства, что основными источниками космических лучей являются остатки сверхновых звезд.

Космический нейтринный фон – море низкоэнергетических «реликтовых» нейтрино, которыми, как сейчас считается, наполнена Вселенная. Эти нейтрино появились при Большом взрыве и отделились от обычной материи, когда возраст Вселенной составлял всего несколько секунд.

Космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение) – остаточный эффект Большого взрыва; излучение, оставшееся со времен очень жаркой эпохи, наступившей примерно через 380 000 лет после возникновения Вселенной. Космическое микроволновое фоновое излучение было открыто в 1965 г. и с тех пор исследовано очень подробно.

Космология – наука о происхождении, эволюции, общей организации и будущем Вселенной.

Кот Шрёдингера – мысленный эксперимент, предложенный Эрвином Шрёдингером, чтобы проиллюстрировать необычность квантовой механики. По условиям этого эксперимента кот, заключенный в ящике, может быть одновременно и жив, и мертв, пока наблюдатель не вмешается в эксперимент (не заглянет в ящик).

Крабовидная туманность – газообразные остатки сверхновой, которую можно было наблюдать в 1054 г. в созвездии Тельца. Почти в центре Крабовидной туманности находится нейтронная звезда.

Красный сверхгигант – этап развития звезды, на котором она сильно увеличивается и сжигает гелий. На данном этапе развития звезда очень массивна (она может быть в 10 и более раз тяжелее Солнца), а также обладает огромным радиусом (в сотни раз больше, чем у Солнца). При этом температура поверхности звезды относительно невелика (несколько тысяч градусов Цельсия).

Лептоны – семейство элементарных частиц, к которым относятся в том числе электрон и нейтрино. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях, но поддаются слабому взаимодействию.

Магеллановы облака – Большое и Малое Магеллановы облака – две галактики неправильной формы, спутники нашей Галактики Млечный Путь. Взрыв сверхновой 1987А произошел в Большом Магеллановом Облаке.

Мантия – породы, расположенные между корой и ядром Земли (а также других планет земной группы).

Манхэттенский проект – программа научных исследований и разработок, позволившая сконструировать первые атомные бомбы в годы Второй мировой войны. В этом проекте под эгидой правительства США участвовали многие ведущие физики, дополнительную поддержку проекту оказывали Канада и Великобритания.

Масса – количество вещества в физическом теле.

Механизм качелей – теоретическая модель, предложенная для оценки массы нейтрино относительно масс других элементарных частиц. Согласно механизму качелей, наряду с известными легкими нейтрино должны существовать и их более тяжелые аналоги.

Микросекунда – одна миллионная часть секунды.

Млечный Путь – наша Галактика, представляющая собой уплощенный диск из звезд, пыли и газа. Обладает спиральными рукавами, центральным балджем и большим сферическим гало. Солнце находится на периферии галактического диска, а в центре нашей Галактики, вероятно, расположена массивная черная дыра.

Мюон – короткоживущая отрицательно заряженная частица, масса которой примерно в 200 раз превышает массу электрона. Наряду с электроном, тау-частицей и нейтрино относится к семейству лептонов.

Нарушение CP-симметрии – нарушение симметрии, согласно которой частицы и античастицы должны подчиняться одним и тем же законам физики. Понимание CP-четности имеет ключевое значение для ответа на вопрос: почему на заре существования Вселенной вещества стало значительно больше, чем антивещества?

Настуран – темный радиоактивный минерал, насыщенный ураном.

Нейтрон – субатомная частица, лишенная электрического заряда, имеющая массу чуть больше, чем у протона. Обычно находится в атомных ядрах.

Нейтронная звезда – плотный компактный остаток массивной звезды, которая взорвалась как сверхновая. Практически полностью состоит из нейтронов.

Новая физика – термин, описывающий совокупность физических явлений, не вписывающихся в Стандартную модель.

Нуклон – элементарная частица, содержащаяся в атомном ядре. К нуклонам относятся протоны и нейтроны.

Общая теория относительности – теория, дающая универсальное геометрическое описание гравитации, пространства и времени. Впервые предложена Альбертом Эйнштейном в 1915 г. В последующие годы ученые проверили множество положений этой гипотезы – в частности, искривление лучей света под действием гравитации и гравитационную задержку времени.

Осцилляции нейтрино – квантово-механический феномен, заключающийся в том, что при распространении нейтрино меняют аромат. Наличие осцилляций означает, что масса нейтрино не равна нулю.

Переменная звезда – звезда, яркость которой колеблется с течением времени – возможно, потому, что звезда то увеличивается, то уменьшается в размере либо если ее периодически затмевает звезда-соседка.

Позитрон – положительно заряженная частица с такой же массой, как и отрицательно заряженный электрон; антиэлектрон.

Проблема солнечных нейтрино – наблюдаемое несоответствие между количеством нейтрино, которые удавалось зарегистрировать, и их вероятным количеством согласно теоретическим прогнозам. Эта проблема сохранялась очень долго и была решена в 2000 г. благодаря открытию осцилляций нейтрино.

Принцип исключения Паули – правило, сформулированное Вольфгангом Паули. Согласно этому правилу, никакие два фермиона (частицы с дробным спином) не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Принцип исключения Паули объясняет, каким образом нейтронные звезды и белые карлики противостоят действию гравитации, а не уменьшаются до бесконечности.

Принцип неопределенности – математическое отношение, иногда именуемое «принцип неопределенности Гейзенберга». Согласно принципу неопределенности, существует фундаментальный предел того, насколько точно мы можем измерить свойства частицы (или системы частиц). Например, чем точнее мы определяем положение частицы, тем меньше знаем о ее импульсе, и наоборот.

Протон – положительно заряженная субатомная частица; протоны есть в ядре любого атома. Так, в атоме водорода один протон, в атоме гелия – два, в атоме углерода – шесть протонов.

Протон-протонный цикл – серия реакций ядерного синтеза, в ходе которых водород превращается в гелий; протекает в недрах Солнца и других небольших звезд.

Радиоактивность – процесс, при котором нестабильное атомное ядро переходит в иное состояние, испуская частицы. Существует несколько типов радиоактивности: альфа-излучение, бета-распад, гамма-излучение.

Радиометрическая датировка – технология, используемая для определения возраста горных пород и метеоритов, основанная на сравнении содержания радиоактивных изотопов и продуктов их распада. При этом скорость распада каждого изотопа известна. Ученые пользуются радиометрической датировкой для определения возраста Земли и Солнечной системы.

Рентгеновское излучение – вид излучения, обладающий меньшей энергией, чем гамма-лучи, с меньшей длиной волны, чем у ультрафиолетовых лучей, но большей, чем у гамма-лучей.

Рождение пар – образование частицы и соответственно античастицы из энергии (согласно уравнению E = mc2, где E означает энергию, m – массу, а с – скорость света в вакууме).

Сверхновая 1987А – сверхновая, взорвавшаяся в галактике Большое Магелланово Облако и наблюдавшаяся с Земли в 1987 г. Нейтринные детекторы на Земле зафиксировали нейтрино, извергнутые при взрыве этой звезды.

Сверхновая – небесное тело, образующееся в результате взрыва массивной звезды на заключительном этапе ее существования либо в результате взрыва звездного «огарка», перетягивающего на себя чрезмерное количество материи от звезды-соседки. Химические элементы тяжелее железа (например, золото) образуются только при взрывах сверхновых.

Световой год – расстояние, которое свет преодолевает в вакууме за год, чуть менее 10 трлн км.

Сильное взаимодействие – одна из четырех фундаментальных сил природы, действующая на сверхмалых расстояниях. Она удерживает вместе кварки, образующие протоны и нейтроны, а также протоны и нейтроны в атомном ядре.

Синтез – слияние легких атомных ядер, в результате которого образуется более тяжелое ядро. Ядерный синтез сопровождается выделением энергии (в некоторых случаях и других элементарных частиц). Ядерный синтез – причина горения большинства звезд.

Слабое взаимодействие – одна из четырех фундаментальных сил природы, лежащая в основе радиоактивности.

Солнечная модель – физическая модель, описывающая внутреннюю структуру Солнца и процессы, протекающие в его ядре.

Солнечные нейтрино – нейтрино, образующиеся в ходе ядерных реакций, протекающих в недрах Солнца.

Сохранение энергии – в физике существует закон (принцип) сохранения энергии, согласно которому энергия ниоткуда не появляется и никуда не исчезает, а просто переходит из одного состояния в другое. Кроме того, энергия может превращаться в массу, а масса – в энергию по уравнению E = mc2.

Специальная теория относительности – теория, сформулированная Альбертом Эйнштейном. Основана на высказывавшихся ранее идеях Галилея и других ученых, которые описывали объекты, движущиеся с постоянными скоростями относительно друг друга. Согласно специальной теории относительности ход времени относителен, а скорость света абсолютна.

Стандартная модель – парадигма теоретической физики, описывающая весь материальный мир в контексте взаимодействия некоторого количества разновидностей элементарных частиц, соответствующих им античастиц и «переносчиков взаимодействий» – например, фотонов. Разработка Стандартной модели продолжалась несколько десятилетий, эта парадигма окончательно оформилась в 1970-е гг. Прогнозы Стандартной модели подтверждены множеством экспериментов. Однако Стандартная модель не может объяснить феномена наличия массы у нейтрино, а также дать ответ на некоторые другие вопросы – например, что представляет собой «темная материя».

Счетчик Гейгера – простой прибор для обнаружения радиации, например, альфа– и бета-частиц или гамма-лучей, испускаемых радиоактивными веществами.

Тектоника плит – медленные масштабные движения плит, из которых состоит кора Земли (или другой планеты земного типа).

Темная материя – невидимая материя, о существовании которой известно по ее гравитационному воздействию на обычную (видимую) материю, из которой состоят галактики и галактические скопления. Предполагается, что темной материи во Вселенной гораздо больше (по массе), чем обычной, но из чего она может состоять, пока совершенно не понятно. В определенный период ученые полагали, что темная материя может состоять в основном из нейтрино, но сегодня известно, что масса нейтрино для этого слишком незначительна.

Теорема Нётер – закономерность, открытая математиком Эмми Нётер: симметрия в природе подразумевает сохранение, и наоборот.

Теория – гипотеза, подтвердившаяся в результате экспериментов и/или наблюдений.

Тритий – редкий изотоп водорода, в ядре которого содержится не один протон (как в обычном водороде), а протон и два нейтрона.

Тяжелая вода – жидкость, химически аналогичная обычной воде (H_2O), но содержащая вместо двух атомов водорода два атома дейтерия: D2O.

Углеродно-азотно-кислородный цикл – комплекс реакций ядерного синтеза, при которых углерод, кислород и азот выступают катализаторами, ускоряющими процесс превращения водорода в гелий. Углеродно-кислородно-азотный цикл – основной механизм образования энергии звезд, масса которых превышает 1,3 солнечных масс.

Ускоритель частиц – устройство, применяемое для разгона частиц (обычно образующих очень узкие пучки) до огромных скоростей.

Фотон – квант света (или другого электромагнитного излучения).

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – устройство, улавливающее свет. Используется для обнаружения излучения Черенкова, испускаемого, когда под воздействием нейтрино (например) в воде или во льду образуется электрон или мюон.

Цепная реакция – серия (ядерных) реакций, при которой предыдущая реакция инициирует следующую. Примеры цепных реакций – протон-протонный цикл и углеродно-азотно-кислородный цикл в звездах. Кроме того, именно цепные реакции лежат в основе работы ядерных реакторов и служат причиной атомных взрывов.

Черная дыра – область в космосе, из пределов которой не может вырваться ничто, даже свет. Черная дыра может образоваться при резком схлопывании массивной звезды после взрыва сверхновой.

Электромагнитное излучение – излучение, связанное с осцилляциями электрических и магнитных полей, в частности: радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Электрон – отрицательно заряженная элементарная частица, которая обычно вращается вокруг атомного ядра. Относится к семейству лептонов.

Элемент – простейшее химическое вещество, состоящее из атомов одного вида. Вид атома зависит от количества протонов в его ядре. Самые легкие из 89 элементов, существующих в природе, – водород, гелий и ничтожные количества лития и бериллия – возникли в первые минуты после Большого взрыва. Все остальные элементы образовались в звездах и при взрывах сверхновых.

Эта Киля – очень массивная звезда (имеющая, вероятно, звезду-спутник), которая в будущем может взорваться и стать сверхновой. Ранее она уже претерпевала катаклизмы, в результате чего от нее отделились внешние слои. Звезда Эта Киля находится в центре гигантской туманности.

Эффект материи – см. Эффект МСВ.

Эффект МСВ (эффект материи) – аббревиатура сформирована по инициалам первооткрывателей этого эффекта – Станислава Михеева, Алексея Смирнова и Линкольна Вольфенштейна. Эффект МСВ заключается в том, что в присутствии материи осцилляции нейтрино усиливаются.

Ядро – плотная сердцевина атома, состоящая из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе под влиянием сильного взаимодействия.

Примечания

Рекомендую к прочтению две книги, посвященные нейтрино, в которых, соответственно, хорошо рассмотрены ранние исследования этих частиц и проблемы, связанные с солнечными нейтрино. Первая книга называется Spaceship Neutrino (автор Кристина Саттон, издательство Cambridge University Press, 1992 г.), вторая – Neutrino (автор Фрэнк Клоуз, издательство Oxford University Press). Исторический интерес представляет книга Айзека Азимова «Нейтрино. Призрачная частица атома» (М.: Атомиздат, 1969).

1. Охота начинается

Йенс Столтенберг. Видеотрансляция речи норвежского премьер-министра в ознаменование столетней годовщины достижения Южного полюса Руалем Амундсеном предлагается на сайте http://www.telegraph.co.uk/news/worldnews/antarctica/8956091/100th-anniversary-of-Roald-Amundsen-reaching-South-Pole-is-honoured.html. Репортажи газеты Antarctic Sun об этом событии приведены по адресам http://antarcticsun.usap.gov/features/contentHandler.cfm?id=2555 http://antarcticsun.usap.gov/features/contentHandler.cfm?id=2554 .

Столетие путешествия Амундсена. Существует множество отличных книг об исследованиях Антарктиды. В газете The New York Times в ознаменование этого события 12 ноября 2011 г. вышла интересная статья Джона Ноубла Уилфорда Amazing Race to the Bottom of the World («Захватывающая гонка к нижнему краю мира»).

Я отправился в Антарктиду. См. мою статью The Meteorite Hunters («Охотники за метеоритами»), вышедшую в номере журнала Muse за ноябрь – декабрь 2011 г. (Чикаго: Carus Publishing Company; http://www.musemagkids.com).

Изгородь из ярких флажков. Френсис Хальцен любезно предоставил мне фотографии, сделанные его коллегами, чтобы я мог своими глазами увидеть, как выглядела обсерватория «Ледяной куб» в столетнюю годовщину путешествия Амундсена.

«Ледяной куб»: описание обсерватории «Ледяной куб» частично основано на телефонном интервью, которое автор взял у Френсиса Хальцена 12 декабря 2011 г., а также на материалах, размещенных на сайте этого проекта по адресу http://icecube.wisc.edu/.

«Если вы хотите расслышать шепот…» Процитированная фраза Джанет Конрад была произнесена в ходе телефонного интервью, которое она дала автору 4 марта 2013 г.

Борис Кайзер. Приведены цитаты, произнесенные в ходе телефонного интервью, данного автору 9 августа 2012 г.

Хитоси Мураяма. Приведены цитаты, произнесенные в ходе интервью, данного автору по Skype 28 марта 2012 г.

Klaatu. Текст песни «Little Neutrino» доступен по адресу http://www.klaatu.org/lyrics/347est_lyrics.html.

Популярный ситком. Цитаты взяты из фильма «Равенство Гриффина» четвертой серии второго сезона сериала «Теория Большого взрыва».

OPERA. Исходный пресс-релиз CERN и последующие его обновления доступны по адресу http://press.web.cern.ch/press-releases/2011/09/opera-experiment-reports-anomaly-flight-time-neutrinos-cern-gran-sasso.

«Если европейские коллеги правы…» Цитата из статьи Майкла Д. Лемоника «Was Einstein Wrong? A Faster-Than-Light Neutrino Could Be Saying Yes» («Эйнштейн ошибался? Возможно, нейтрино, развивающие сверхсветовую скорость, это подтверждают»), вышедшей в номере журнала Time от 23 сентября 2011 г., см. http://www.time.com/time/health/article/0,8599,2094665,00.html.

«Если этот результат подтвердится…» Цитата из статьи Денниса Овербая, «Tiny Neutrinos May Have Broken Cosmic Speed Limit» («Возможно, крошечные нейтрино заставят пересмотреть известный предел скорости»), The New York Times, 23 сентября 2011 г.

…остается ли верным уравнение E = mc². Клип на эту песню группы Corrigan Brothers и Питера Крейтона находится в Интернете по адресу www.youtube.com/watch?v=vpMY84T8WY0.

Эндрю Коэн. См. статью «New Constraints of Neutrino Velocities» («Новые границы скорости нейтрино») Эндрю Коэна и Шелдона Глэшоу по адресу http://arxiv.org/abs/1109.6562.

В большинстве статей в СМИ. См. Готэм Найк «Unreal Finding May Be Just That» («Невероятное открытие – ошибка или нет?»), The Wall Street Journal, 24 февраля 2012 г. и Деннис Овербай «The Trouble with Data That Outpaces Theory» («Проблема с данными, за которыми не успевает теория»), The New York Times, 26 марта 2012 г.

«Мы стоим на пороге открытия…» Приведены цитаты Кейт Скулберг из телефонного интервью, взятого у нее автором 16 марта 2012 г.

Френсис Хальцен. Цитаты и биографическая информация взяты из телефонного интервью, которое Хальцен дал автору 12 декабря 2011 г. Описание ранних этапов эксперимента AMANDA и цитаты «Лирнид сразу же оценил…», «Достаточно сложно жить, не отрываясь от телефона…» и «какую-то бессмысленную мешанину» взяты из эссе Хальцена «Antarctic Dreams» («Антарктические мечты»), впервые опубликованного в номере журнала The Sciences за март-апрель 1999 г. на с. 19–24. Дополнительная информация о научных интересах Хальцена и о разработке эксперимента AMANDA взята из статьи Хальцена «Ice Fishing for Neutrinos» («Подледный лов нейтрино»), опубликованной на сайте http://icecube.berkeley.edu/amanda/ice-fishing.html.

Джон Лирнид. Биографическая информация и цитаты даны по интервью, взятому автором по Skype 6 марта 2013 г.

ПэВ-события: см. “Ultra-High Energy Neutrinos with IceCube,” Nuclear Physics B Proceedings Supplement (2012 г.), онлайн-источник www.ppl.phys.chiba-u.jp/research/IceCube/ThePeVNeutrinoDetection/IceCubeEHE2012_v6.pdf и публикацию «High-energy (PeV) neutrinos observed!» в блоге Спенсера Клейна «Neutrino Hunting in Antarctica» от 8 августа 2012 г. http://antarcticaneutrinos.blogspot.ca/2012/08/high-energy-pev-neutrinos-observed.html. Дополнительная информация и цитаты приведены из интервью, взятых у Френсиса Хальцена (18–19 марта 2013 г.) и Спенсера Клейна (18–19 марта 2013 г.).

…всплесками гамма-излучения. Эта тема хорошо рассмотрена в работе Джошуа Блума What Are Gamma Ray Bursts? Princeton Frontiers in Physics (Princeton, NJ: Princeton University Press, 2011 г.).

2. Ужасный поступок

…специальная и общая теория относительности. Есть много хороших научно-популярных книг об основах теории относительности. См., например, книгу Рассела Станнарда Relativity: A Very Short Introduction (New York: Oxford University Press, 2008 г.)

…задержка времени. Джозеф Хафеле и Ричард Китинг в 1971 г. поставили один из самых известных экспериментов, связанных с релятивистской задержкой времени. Для этого они отправили четыре штуки атомных часов на коммерческих авиарейсах по разным маршрутам. Результаты исследования были описаны в двух статьях, опубликованных в журнале Science: J. C. Hafele and R. E. Keating. Around-the-World Atomic Clocks: Predicted Relativistic Time Gains и Around-the-World Atomic Clocks: Observed Relativistic Time Gains, Science 177 (July 14, 1972 г.): с. 166–68 и 168–170.

…квантовая механика. Помню, как подростком читал книгу Джона Гриббина In Search of Schrodinger’s Cat: Quantum Physics and Reality (New York: Bantam Books, 1984 г.). Эта книга – замечательное введение в удивительный мир квантовой физики.

Вольфганг Паули. Основным источником биографической информации и цитат Паули и о Паули является книга Чарльза П. Энца No Time to Be Brief: A Scientific Biography of Wolfgang Pauli (New York: Oxford University Press, 2002).

«Я познакомился с изумительным представителем венской интеллектуальной элиты…» и «Тот, кто будет читать эту зрелую и тщательно продуманную работу…» Цитаты взяты из работы Артура И. Миллера Deciphering the Cosmic Number: The Strange Friendship of Wolfgang Pauli and Carl Jung (New York: Norton, 2009).

«Да был бы это хотя бы тореадор…» Цитируется по книге Энца No Time to Be Brief.

Эрнест Резерфорд. Краткий биографический очерк о Резерфорде размещен по адресу www.nobelprize.org.nobel/prizes/chemistry/laureates/1908/rutherford-bio.html, а перевод его нобелевской лекции «Химическая природа Ө-частиц, испускаемых радиоактивными веществами» на русский язык опубликован по адресу http://nuclphys.sinp.msu.ru/histan/ruth1.pdf.

«Тем не менее…», «Мы с мужем», «Мы любили поздно вечером…». Цитаты приводятся по книге Marie Curie, Pierre Curie, with Autobiographical Notes (New York: Macmillan, 1923 г.), электронная версия http://etext.virginia.edu/toc/modeng/public/CurPier.html.

«Можно утверждать, что мы не обладаем никакими аргументами…» Бор прочитал Фарадеевскую лекцию членам Лондонского химического общества 8 мая 1930 г. Лекция была опубликована под названием «Chemistry and the Quantum Theory of Atomic Constitution» в журнале Journal of the Chemical Society (1932 г.): с. 349–384.

«Вы и дальше собираетесь третировать несчастный закон сохранения энергии?» Цитируется по книге Джино Сегре Faust in Copenhagen: A Struggle for the Soul of Physics (New York: Viking, 2007 г., с. 194).

«Что, если бы кто-нибудь…». Цитируется по книге Миллера Deciphering the Cosmic Number.

«Уважаемые радиоактивные дамы и господа». Оригинальный немецкий текст письма доступен в архиве Паули в институте CERN, а также в электронной версии по адресу http://cds.cern.ch/record/83282/files/meitner_0393.pdf.

«Я совершил ужасный поступок…» Насколько мне удалось выяснить, эту фразу впервые приписывает Паули Фред Хойл, который слышал ее от коллеги-астронома Вальтера Бааде. Паули признался в своем «ужасном поступке» близкому другу Вальтеру Бааде, вместе с которым они останавливались в Гамбурге. Хойловская версия этой истории изложена в работе «Proceedings of the Royal Society of London A 301» (17 октября 1967 г., с. 171).

«Правда, на тот момент тема по-прежнему казалась мне довольно сомнительной…» Цитируется по Вольфгангу Паули, «On the Earlier and More Recent History of the Neutrino», пер. Габриэлы Зацек (1957 г.) в работе «Neutrino Physics», 2-е издание Klaus Winter (Cambridge: Cambridge University Press, 2000 г.), с. 1–21.

«Новый обитатель субатомного мира…» Из отчета о собрании Американской ассоциации содействия развитию науки, написанного штатным корреспондентом газеты The New York Times и опубликованного в номере этой газеты от 17 июня 1931 г.

«Ничего у меня с барышнями не клеится… так что, боюсь, придется с этим жить…» Цитируется по книге Энца No Time to Be Brief.

«Энрико Ферми». Основным источником информации о Ферми является его биография «Атомы у нас дома», написанная его женой Лаурой Ферми. Перевод на русский язык: Ферми Л. Атомы у нас дома. – М.: Иностранная литература, 1959. Кроме того, я опирался на биографические воспоминания о Ферми, написанные Сэмюэлом Эллисоном (Washington, D. C.: National Academy of Sciences, 1957 г.), электронная версия доступна по адресу www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/fermi-enrico.pdf. Также хотелось бы отметить, что между мной и Энрико Ферми существует определенная связь: можно сказать, что он был моим «научным прадедом». Джованни Фацио, один из моих гарвардских консультантов, помогавший мне с написанием дипломной работы, учился в Массачусетском технологическом институте под руководством Роберта Шлютера, который, в свою очередь, учился под руководством Ферми в Чикагском университете.

«…живой интерес…». Цитируется по книге Паули History of the Neutrino.

«Когда этот убежденный рационалист…» Цитируется по книге Миллера Deciphering the Cosmic Number, где увлекательно описана дружба между Паули и Юнгом. Кроме того, об этой дружбе рассказывает Дэвид Линдорфф в книге Pauli and Jung: The Meeting of Two Great Minds (Wheaton, IL: Quest Books, 2004 г.)

«…глупое дитя моего жизненного кризиса…» Цитируется по книге Энца No Time to Be Brief, из письма, написанного Паули биофизику Максу Дельбрюку 6 октября 1958 г., всего за два месяца до смерти Паули. Письмо хранится в архиве Паули в институте CERN.

…масса покоя нейтрино… Ферми оценил массу нейтрино в своей классической статье «An Attempt at a Theory of Beta Radiation», опубликованной в журнале Zeitschrift für Physik 88 (1934 г., с. 161.).

«итальянский штурман». По воспоминаниям Артура Комптона, «The Birth of Atomic Power», Bulletin of the Atomic Scientists 9, no. 1 (февраль 1953), с. 10–12.

«наблюдать нейтрино практически невозможно». Из письма “The Neutrino” редактору журнала Nature, написанного Гансом Бете и Рудольфом Пайерлсом (Nature 133 (апрель 1934 г.): с. 532.).

«Вероятно, лишь с помощью нейтрино можно объяснить наблюдаемые потери энергии…». Цитируется по книге Хельги Краф Dirac: A Scientific Biography (Cambridge: Cambridge University Press, 1990 г.).

3. Погоня за призраком

«Поэтому представляется вероятным…» Цитируется по статье Лизы Мейтнер и Отто Фриша “Disintegration of Uranium by Neutrons: A New Type of Nuclear Reaction,” Nature 143 (11 февраля 1939 г.): с. 239–240.

Манхэттенский проект. Лучшая научно-популярная книга о разработке ядерного оружия – Richard Rhodes The Making of the Atomic Bomb (New York: Simon & Schuster, 1987 г.).

Бруно Понтекорво. Историк Саймон Турчетти в своей книге The Pontecorvo Affair: A Cold War Defection and Nuclear Physics (Chicago: University of Chicago Press, 2012 г.) рассматривает жизнь Понтекорво и подробно описывает обстоятельства, сопровождавшие его бегство. Среди других информативных источников следует назвать некролог о Понтекорво, написанный Ричардом Кеннеди для газеты The New York Times (от 28 сентября 1993 г.), а также статью Луизы Бонолис «Bruno Pontecorvo: From Slow Neutrons to Oscillating Neutrinos», American Journal of Physics 73, no. 6 (июнь 2005 г.): с. 487–499.

«Мне показалось…». Цитируется по статье Бруно Понтекорво «Fifty Years of Neutrino Physics: A Few Episodes» в Neutrino Physics and Astrophysics, под ред. Этторе Фиорини (New York: Plenum Press, 1982 г.).

«Клаус Фукс». См. статью «The Atom Spy Case» на сайте ФБР по адресу www.fbi.gov/about-us/history/famous-cases/the-atom-spy-case.

«Ричард Фейнман». См. «The Feynman Files» по адресу www. muckrock.com/news/archives/2012/jun/06/feynman-files-professors-invitation-past-iron-curt/

Газеты смогли сделать максимальный акцент на царившей в те времена подозрительности… Суматоха и подозрения, сопровождавшие бегство Понтекорво, были отражены во многих публикациях в крупнейших СМИ того времени, в частности, «Atom Man Flies Away» в Daily Express (Лондон; 21 октября 1950 г.), «Atomic Expert Missing» в The Manchester Guardian (21 октября 1950 г.), «Top Atom Expert Flees to Russia» в The Mail (Adelaide, Australia; 21 октября 1950 г.) и «Atom Scientist Mystery» в The Sydney Morning Herald (23 октября 1950 г.).

«Даже Би-би-си». Из передачи «On This Day 1950 г.: Hunt for missing atomic scientist», расположенной по адресу http://news.bbc.co.uk/onthisday/hi/dates/stories/october/27/newsid_3091000/3091390.stm.

«Понтекорво признался…» Цитируется по статье Чарльза Ричардса «Confessions of an Atom Spy», The Independent, 2 августа 1992 г.

Фред Рейнес. Биографическая информация о Фреде Рейнесе основана на его собственных биографических воспоминаниях, изложенных по адресу www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1995/reines-autobio.html, а также на книге Уильяма Кроппа, Джонаса Шульца и Генри Собеля Frederick Reines, 1918–1998: A Biographical Memoir (Washington, D. C.: National Academy of Sciences, 2009 г.).

«Проект предполагал…» Основными источниками, по которым описан этот проект, являются нобелевская лекция Фреда Рейнеса «Нейтрино: от полтергейста к частице», прочитанная в 1995 г. (перевод на русский язык размещен по адресу http://ufn.ru/ufn96/ufn96_12/Russian/r9612e.pdf), а также статьи И. Андерсона «The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist», Los Alamos Science 25 (1997 г.) и Роберта Арнса «Detecting the Neutrino», Physics in Perspective 3 (2001 г.): с. 314–334.

«Мы вернемся к шахте…» Цитируется по книге Клайда Коуэна Anatomy of an Experiment: An Account of the Discovery of the Neutrino (Washington, D. C.: Smithsonian Institution, 1964 г.).

«Очевидно, описанный вами новый метод…» Из письма Ферми Рейнесу, цитируемого в нобелевской лекции Рейнеса.

«В эти дни, проведенные в Хэнфорде…» Цитируется по статье Фредерика Рейнеса «Neutrinos to 1960 – Personal Recollections», Proceedings of the International Colloquium on the History of Particle Physics, Journal de Physique 43, no. C8 (декабрь 1982 г.): с. 237–260.

«Во всех этих статьях». По описанию Роберта Арнса, сделанному в работе «Detecting the Neutrino».

«Сообщение Паули». По книге Энца No Time to Be Brief.

4. Подземное Солнце

Рэй Дэвис. Биографические подробности, цитаты «Чтобы угодить маме…», «К моему удивлению» и описания экспериментов основаны большей частью на его собственных воспоминаниях, изложенных по адресу http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/davis-bio.html, и на его нобелевской лекции «Полвека с солнечными нейтрино», прочитанной в 2002 г. (русский перевод – http://nuclphys.sinp.msu.ru/neutrino/nob044b.pdf). Другой информативный источник – статья Кеннета Ланде «The Life of Raymond Davis, Jr., and the Beginning of Neutrino Astronomy», Annual Review of Nuclear and Particle Science 59 (ноябрь 2009 г.): с. 21–39.

Ханс Бете. Сильван Швебер написал новую биографию Бете Nuclear Forces: The Making of the Physicist Hans Bethe (Cambridge: Harvard University Press, 2012 г.). Цитаты «математика казалась…», «величайшее чудо Рима» и биографические детали о Бете взяты из статьи Швебера «The Happy Thirties» в книге Hans Bethe and His Physics, под ред. Джеральда Брауна и Чань-Хуана Ли (Singapore: World Scientific, 2006 г.).

Углеродно-азотно-кислородный цикл. Описание этого цикла дается в статье Джона Бакала «How the Sun Shines» (2000 г.), размещенной по адресу www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/fusion/index.html.

«…рассказывают, что я догадался об углеродном цикле, когда ехал домой из Вашингтона на поезде». Из статьи Ганса Бете «My Life in Astrophysics», опубликованной в книге «Ганс Бете и его физика» (Hans Bethe and His Physics).

«Дэвис в своем эксперименте». История экспериментов Дэвиса и его сотрудничества с Бакалом основана на ряде источников, в том числе на нобелевской лекции Дэвиса «Полвека с солнечными нейтрино», книге Кристины Саттон Spaceship Neutrino, статьи Джона Бакала «Solving the Mystery of the Missing Neutrinos» (2004 г.), опубликованной в Интернете по адресу www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/bahcall/.

«Не могу представить себе статью, автор которой описал бы такой эксперимент». Цитируется по статье Джона Бакала и Раймонда Дэвиса-младшего «An Account of the Development of the Solar Neutrino Problem», опубликованной в журнале Essays In Nuclear Astrophysics под ред. Чарльза Барнса, Дональда Клейтона и Дэвида Шрамма (Cambridge: Cambridge University Press, 1982 г.).

«Вероятность отрицательного результата…» Цитируется по нобелевской лекции Дэвиса www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/davis-lecture.pdf.

Джон Бакал. Цитата «это было самое сложное…» и некоторые биографические детали взяты из текста «Two Secrets», торжественного обращения Бакала к аспирантам физического и астрономического факультетов, прочитанного в Калифорнийском университете города Беркли (2001 г.). Текст выложен в электронном источнике www.sns.ias.edu/~jnb/Papers/Popular/secrets.htm.

«Перебравшись в Калифорнийский технологический институт…» Из интервью Бакала, взятого у него в передаче «Nova» на канале PBS 21 февраля 2006 г., см. www.pbs.org/wgbh/nova/physics.solar-neutrinos.html.

«Величайший политический успех Рэя…». Из работы Джона Бакала «Ray Davis: The Scientist and the Man», Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 48 (1996 г.): с. 281–283.

«резервуарщики… десять минут». Цитируется по статье Джона Бакала и Раймонда Дэвиса-младшего «An Account of the Development of the Solar Neutrino Problem», опубликованной в журнале Essays In Nuclear Astrophysics под ред. Чарльза Барнса, Дональда Клейтона и Дэвида Шрамма

«просто сантехником…». Из интервью Бакала в передаче «Nova».

«не-химик». Из работы Джона Бакала «Neutrinos from the Sun», Scientific American, июль 1969 г., с. 28.

«Все люди…». Из работы Бакала «The Scientist and the Man».

«Одно из величайших разочарований…». Из статьи Джорджа Джонсона «Elusive Particles Continue to Puzzle Theorists of the Sun», The New York Times 9 июня 1998 г.

«вся аудитория…». Из интервью Бакала в передаче «Nova».

Масатоси Косиба. См. интервью Косибы, взятое Дэвидом де Воркином 30 августа 1997 г., Niels Bohr Library & Archives, Center for the History of Physics, American Institute of Physics, электронная редакция интервью доступна в Интернете по адресу www.aip.org/history/ohilist/24870.html.

5. Космические хамелеоны

«трое физиков». Леон Ледерманн, Мелвин Швартц и Джек Стейнбергер получили в 1988 г. Нобелевскую премию по физике за открытие мюонных нейтрино: www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1988.

«тау-частица». Пресс-релиз лаборатории Fermilab от 20 июля 2000 г., в котором анонсируется открытие тау-нейтрино: www.fnal.gov/pub/presspass/press_releases/donut.html.

«осцилляции нейтрино». Грибов и Понтекорво опубликовали свою статью «Нейтринные эксперименты и вопрос о сохранении лептонного заряда» в Журнале экспериментальной и теоретической физики, 1967 г., т. 53, вып. 5, с. 1717–1725.

«Эффект МСВ – красивая идея». Цитата Бакала взята из работы Джонсона «Elusive Particles Continue to Puzzle Theorists of the Sun», The New York Times, 9 июня 1998 г.

атмосферные нейтрино. См. Эдвард Кёрнс, Такааки Кадзита и Йоджи Тоцука «Detecting Massive Neutrinos», Scientific American, август 1999 г., с. 64–71.

«нет дыма без огня». Из интервью Эда Кёрнса, которое автор взял у него лично в Бостонском университете 27 января 2012 г.

«нейтринная обсерватория Садбери». Официальный сайт лаборатории SNOLAB – http://www.snolab.ca. В числе других источников – интервью, взятое автором у Арта Макдональда по Skype 27 января 2012 г., а также следующие работы: Ник Джелли, Артур Б. Макдональд, Р. Хэмиш Робертсон «The Sudbury Neutrino Observatory», Annual Review of Nuclear and Particle Science 59 (2009 г.), с. 431–465 и Артур Макдональд, Джошуа Клейн и Дэвид Уорк «Solving the Solar Neutrino Problem», Scientific American, апрель 2003 г., с. 40–49.

«мы решили…» Эта цитата Арта Макдональда взята из статьи Кеннета Чанга «Sun’s Missing Neutrinos: Hidden in Plain Sight», The New York Times, 19 июня 2001 г.

«теперь мы практически уверены…» Цитата взята из пресс-релиза SNO, сделанного 18 июня 2001 г. (www.sno.phy.queensu.ca/sno/first_results/).

«Super-K сообщил нам». Цитата из интервью, взятого автором у Кёрнса.

«Было такое ощущение, словно я танцую». Цитата из статьи Кеннета Чанга «Sun’s Missing Neutrinos: Hidden in Plain Sight».

«Тридцать лет…» Цитата Джона Бакала взята из документального фильма «The Ghost Particle», снятого студией «Nova» и показанного на канале PBS 21 февраля 2006 г. Текстовая трансляция содержится по адресу www.pbs.org/wgbh/nova/transcripts/3306_neutrino.html.

«за первый весомый вклад». Цитируется по сайту Нобелевского комитета, см. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/. Рэй Дэвис получил свою долю премии за измерения солнечных нейтрино, а Масатоси Косиба – в первую очередь за работу на эксперименте Kamiokande и за участие в обнаружении нейтрино от сверхновой 1987А (см. главу 6).

«вопрос времени…». Здесь и далее приводятся цитаты Эда Кёрнса, произнесенные им в ходе интервью, данного автору лично в Бостонском университете 27 января 2012 г. Среди других физиков, признававшихся автору, что, по их мнению, Арт Макдональд заслуживает долю Нобелевской премии, были, в частности, Джанет Конрад, Карстен Хеегер и Скотт Озер.

«Традиционная физика частиц». Цитата из телефонного интервью, взятого автором у Карстена Хеегера 16 марта 2012 г.

«Крен, тангаж и рысканье». Аналогия с аэродинамикой самолета взята из цитаты Дэйва Уорка, приводимой Джонатаном Амосом в передаче Би-би-си «Neutrino Particle ‘Flips to All Flavours» от 15 июня 2011 г., электронная версия которой доступна по адресу www.bbc.co.uk/news/science-environment-13763641.

«Вскоре после открытия…» Здесь речь идет об эксперименте KamLAND. См., например, www.awa.tohoku.ac.jp/kamlande/ и http://arxiv.org/abs/hep-ex/0212021.

«Эксперимент MINOS». См. пресс-релиз лаборатории Фермилаб от 5 июня 2012 г., размещенный по адресу https://www.fnal.gov/pub/presspass/press_releases/2012/minos-antineutrinos-20120605.html.

«землетрясение…» Мартин Феклер в своей статье «Powerful Quake and Tsunami Devastate Northern Japan», The New York Times от 12 марта 2011 г., делает хороший обзор этих катастрофических событий. В рассылке проекта J-PARC от 12 мая 2011 г. описаны разрушения, произошедшие в Токае: http://j-parc.jp/hypermail/news-l.2011/0004.html. Подробный рассказ об аварии на АЭС «Фукусима» содержится в статье Элизы Стрикленд «24 Hours at Fukushima», вышедшей в номере журнала IEEE Spectrum за ноябрь 2011 г. Электронная версия статьи размещена по адресу http://spectrum.ieee.org/energy/nuclear/24-hours-at-fukushima/0.

Брайан Кирби. Цитаты и мнение Кирби приводятся из интервью, которое он дал автору по Skype 20 января 2012 г.

Скотт Озер. Цитаты и мнение Озера приводятся из интервью, которое он дал автору лично в Ванкувере 15 января 2012 г.

Сбор данных в эксперименте T2K. Описание работ, связанных с изучением осцилляций нейтрино в эксперименте T2K, дается в материалах http://legacy.kek.jp/intra-e/press/2011/J-PARC_T2Kneutrino.html и www.symmetrymagazine.org/breaking/2011/06/15/japans-t2k-experiment-observes-electron-neutrino-appearance.

«Даже хотя мы и изучаем осцилляции нейтрино уже долгие годы…» Цитата Эда Кёрнса приводится по пресс-релизу, вышедшему в Бостонском университете 15 июня 2011 г.: www.bu.edu/phpbin/news/releases/display.php?id=2261.

«Шесть самых популярных событий, связанных с нейтрино». Цитата приводится по интервью, взятого автором у Линлди Уинслоу лично в Массачусетском технологическом институте 13 декабря 2011 г.

«Double Chooz». Синтия Горовиц описывает этот эксперимент в публикации «Power Plant Generates Neutrinos for Physics Experiment», Symmetry от 23 февраля 2011 г., электронная версия – www.symmetrymagazine.org/breaking/2011/02/23/power-plant-generates-neutrinos-for-physics-experiment. О результатах этого эксперимента рассказывает публикация в блоге «Quantum Diaries» от 9 ноября 2011 г. www.quantumdiaries.org/2011/11/09/first-double-chooz-neutrino-oscillation-result/, а также статья www.interactions.org/cms/?pid=1031199.

«Дайя-Бэй». Первые результаты изучения осцилляций нейтрино в эксперименте «Дайя-Бэй» описаны в статье http://neutrino.physics.berkeley.edu/news/News.html.

«RENO». Результаты эксперимента RENO описаны в статье по адресу http://.arxiv.org/abs/1204.0626 и в пресс-релизе по адресу www.interactions.org/cms/pid=1031612.

«Оказывается, что значение Ө13 довольно внушительное». Эта и другие цитаты Кам-Бю-Люка взяты из интервью, которое он дал автору по телефону 20 марта 2012 г.

«Джанет Конрад». Цитаты «такими невероятно прекрасными…», «детектив может и не быть ученым…» и другие взяты из телефонного интервью, данного автору 4 марта 2013 г. Цитата «мы подходим к самому интересному» приводится по интервью, взятому автором у Конрад лично в Массачусетском технологическом институте 13 декабря 2011 г.

6. Взрывающиеся звезды

Сверхновая 1987А. История об открытии этой сверхновой и последующих событиях основана на нескольких источниках, в частности, International Astronomical Union Circular No. 4316 под авторством Брайана Дж. Марсдена (24 февраля 1987 г. www.cbat.eps.harvard.edu/iauc/04300/04316.html), работе Иэна К. Шелтона «Supernova 1987A – Photometry of the Discovery and Pre-Discovery Plates», Astronomical Journal 105, no. 5 (1993 г.), с. 1886–1891, с. 2015–2016, а также на более современных источниках: Майкл Лемоник, Мадлен Нэш, Гавин Скотт и Дик Томпсон, Supernova! Scientists Are Agog Over the Brightest Exploding Star in 383 Years,” Time, 23 марта 1987 г., с. 60; Найджл Хенбест, “Supernova: The Cosmic Bonfire,” New Scientist, 5 ноября 1987 г., с. 52, и Дэвид Арнеттt, Джон Бакал, Роберт Кишнер и Стенфорд Вусли, “Supernova 1987A,” Annual Review of Astronomy and Astrophysics 27 (1989 г.), с. 629–700.

«Как под Рождество». Цитата Стэна Вузли из Калифорнийского университета в Санта-Крус приводится по статье из номера Time от 23 марта 1987 г.

«Бакал и двое его коллег». Цитируется их сообщение Д. Бакал и др., «Neutrinos from the Recent LMC Supernova», Nature 326 (12 марта 1987 г.): с. 135–136.

Физики-экспериментаторы вооружились высокочувствительными детекторами… В книге Альфреда Манна Shadow of a Star: The Neutrino Story of Supernova 1987A (New York: W. H. Freeman, 1997 г.) подробно рассказано об обнаружении нейтрино, образовавшихся при взрыве сверхновой.

«мы впервые смогли наблюдать…» Цитата взята из работы Adam Burrows, «Supernova Neutrinos», The Astrophysical Journal 334 (15 ноября 1988 г.): с. 891–908.

Джон Биком. Все цитаты Джона Бикома приводятся по телефонному интервью, взятому автором 19 марта 2012 г.

Нейтринная бомба. Эта и другие цитаты Алекса Фридланда приводятся по телефонному интервью, взятому автором 19 марта 2012 г.

Конец был быстрым и ярким… Хорошее описание звездной эволюции дается в популярной книге Брэдли Кэррола и Дейла Остайла An Introduction to Modern Astrophysics (Boston: Addison-Wesley, 2006 г.).

«Если даже ничтожная доля нейтрино…» Эта и другие цитаты Георга Раффельта приводятся по телефонному интервью, взятому автором 21 марта 2012 г.

один из снимков, полученных космическим телескопом «Хаббл». См., например, http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2010/30/full/.

С 1604 г. Есть основания считать, что и сверхновая Кеплера, вспыхнувшая в 1604 г., и сверхновая Тихо Браге (1572 г.) образовались в результате взрыва белых карликов – в обоих случаях белый карлик, вероятно, перетянул на себя слишком много вещества от звезды-соседки и достиг предела Чандрасекара. В таком случае речь идет о сверхновых типа IА, см., например, http://chandra.harvard.edu/photo/2007/kepler/index.html и http://physicsworld.com/cws/article/news/2008/dec/03/echoes-shine-a-light-on-tycho-brahes-supernova. Взрыв сверхновой 1987А, в свою очередь, относится к типу II и является финальным этапом существования массивной звезды.

«новая звезда». Книга Тихо De Nova Stella доступна для чтения онлайн http://archive.org/details/operumprimitiasd00brahuoft.

«Новая звезда невиданного размера…» Цитируется по книге Лоуренса Маршалла The Supernova Story (Princeton: Princeton University Press, 1994 г.), где также сделан отличный научно-популярный обзор других исторических событий, возможно, связанных с наблюдением сверхновых. В книге рассказывается, как развивались наши представления о сверхновых в течение XX в., об открытии сверхновой 1987А и первых исследованиях, связанных с ней.

«Вальтер Бааде». См. Дональд Остерброк Walter Baade: A Life in Astrophysics (Princeton: Princeton University Press, 2001 г.).

«Фриц Цвикки». См. Стефан Маурер, “Idea Man,” в Beam Line: A Periodical of Particle Physics, Stanford Linear Accelerator Center, vol. 31, no. 1 (зима 2001 г.): с. 21–27; www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/31/1/31–1-maurer.pdf.

Кейт Скулберг. Все цитаты Кейт Скулберг приводятся по телефонному интервью, взятому у нее автором 16 марта 2012 г.

«Система раннего оповещения о взрывах сверхновых». Официальный сайт организации SNEWS находится по адресу http://snews.bnl.gov/. В качестве дополнительных источников следует отметить научно-популярную статью Френсиса Редди «Time for SNEWS», вышедшую в журнале Astronomy за июнь 2005 г., и научную статью Пьетро Антониоли «SNEWS: The SuperNova Early Warning System», New Journal of Physics 6 (2004 г.): с. 114.

«Мы сможем наблюдать…» Цитата из телефонного интервью, взятого автором у Френсиса Хальцена 12 декабря 2011 г.

Гелиево-свинцовая обсерватория. Официальный сайт проекта находится по адресу www.snolab.ca/halo/.

Нейтринный эксперимент с длинной базой. См., например, Адриан Чо, “DOE Scraps Plans for Neutrino Experiment in Mine,” Science Insider, 22 марта 2012 г., http://news.sciencemag.org/scienceinsider/2012/03/doe-scraps-plans-for-neutrino.html и Евгений Сэмюэл Рейх, “US Physicists Fight to Save Neutrino Experiment,” Nature News, 26 марта 2012 г., www.nature.com/news/us-physicists-fight-to-save-neutrino-experiment-1.10305.

Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. Наиболее удачной научно-популярной книгой об исследовательских и технологических вызовах, связанных с созданием LIGO, является работа Марсии Бартусьяк Einstein’s Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time (Washington, D. C.: Joseph Henry Press/National Academies Press, 2000 г.).

Диффузный фон реликтовых нейтрино. См. Джон Биком, “The Diffuse Supernova Neutrino Background,” Annual Review of Nuclear and Particle Science 60 (ноябрь 2010 г.): с. 439–462; препринт этой статьи доступен онлайн по адресу http://arxiv.org/abs/1004.3311.

Эта Киля. См., например, Мишель Лимоник, “Supernova Countdown: Giant Star Could Explode Any Day Now,” Time, 16 февраля 2012 г., www.time.com/time/health/article/0,8599,2106904,00.html и сайт группы исследователей звезды Эта Киля из Университета Миннесоты: http://etacar.umn.edu

7. Акты исчезновения

о почти полной пустоте космоса… Фрагменты этой главы, в частности, цитаты Эдварда «Рокки» Колба, впервые были опубликованы в статье автора «Does Antimatter Matter?», вышедшей в журнале Astronomy за декабрь 2006 г., с. 30. Более подробное, отчасти научно-популярное описание проблемы дается в книге Хелен Квин и Йосси Нир The Mystery of the Missing Antimatter (Princeton: Princeton University Press, 2008 г.). В статье Рабиндры Мохапатры “Neutrino Mass and the Origin of Matter,” Physics Today, апрель 2010 г., с. 68, объясняется связь между нейтрино и асимметрией в количестве вещества и антивещества.

Поль Дирак. Основным источником информации об этом физике, в частности, исторических анекдотов и цитат, послужила талантливо написанная биография Дирака: Грахам Фармело, «The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac» (New York: Basic Books, 2009 г.). Статья Моники Дирак «My Father», опубликованная в Proceedings of the Dirac Centennial Symposium, ред. Ховард Баер и Александр Беляев (Singapore: World Scientific, 2003 г.), стала источником сведений о его семейной жизни. Некоторые авторы, в частности, Виктория Брайнелл в работе «New Statesman» («How Autism Leads to Genius»; электронная версия www.newstatesman.com/society/2010/11/dirac-autism-autistic), предполагают, что Дирак, возможно, был аутистом.

«совершенно новой разновидности вещества…» Цитируется по Квину и Ниру, The Mystery of the Missing Antimatter.

«какой-то положительно заряженной частицей…» Цитируется по статье Карла Андерсона «The Apparent Existence of Easily Deflectable Positives», Science 76, no. 1967 (1932 г.): с. 238–239.

«робкий как газель…» Цитируется по The Sunday Dispatch (1933 г.) в редакции Фармело, The Strangest Man.

антипротон. Открытие антипротона описано Оуэном Чемберленом в его нобелевской лекции, прочитанной в 1959 г., см. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1959/chamberlain-lecture.pdf.

«удалось получить ядра антигелия…». См. статью коллаборации STAR «Observations of the Anti-Matter Helium-4 Nucleus», Nature 473 (19 мая 2011 г.): с. 353–356.

альфа-магнитный спектрометр. Данный эксперимент описан на сайте http://ams.nasa.gov.

Эмми Нётер. Информация о Нётер взята, в частности, из работ Натали Энжьер, “The Mighty Mathematician You’ve Never Heard Of,” The New York Times, 17 марта 2012 г. и Рансом Стефан, «The Unrecognized Genius of Emmy Noether», электронная версия www.ransomstephens.com/emmy-noether.htm, проверено 28 июля 2012 г.

«одна из важнейших когда-либо доказанных математических теорем…» Цитируется по книге Leon M. Lederman and Christopher T. Hill, Symmetry and the Beautiful Universe (Amherst, NY: Prometheus Books, 2004 г.).

четность. В 1956 г. Ли Чжэндао и Чженьнин Янг предположили, что при слабых взаимодействиях может не сохраняться зарядовая четность. В следующем году Ву Цзяньсюн и ее коллеги обнаружили нарушения зарядовой четности при бета-распаде кобальта-60.

Большой адронный коллайдер. В 2012 г. в эксперименте LHCb удалось наблюдать нарушение зарядовой четности, см. http://lanl.arxiv.org/abs/1202.6251.

Этторе Майорана. Источниками биографической информации и цитат послужили, в частности, следующие работы: Антонино Зичичи, Ettore Majorana: Genius and Mystery, CERN Courier, 25 июля 2006 г., http://cerncourier.com/cws/article/cern/29664; Берри Холстен The Mysterious Disappearance of Ettore Majorana, Journal of Physics: Conference Series 173, 012019 (2009 г.); Сальваторе Эспозито «Fleeting Genius», Physics World, август 2006 г., с. 2; а также биографическая книга Жоао Магейжо A Brilliant Darkness: The Extraordinary Life and Mysterious Disappearance of Ettore Majorana, the Troubled Genius of the Nuclear Age (New York: Basic Books, 2009 г.).

«Мало кто настолько поразил меня своими незаурядными качествами, как Майорана…» Считается, что Ферми сказал об этом Джузеппе Коккони вскоре после исчезновения Майораны. Цитата приводится, в частности, в: Ettore Majorana: Scientific Papers: On Occasion of the Centenary of His Birth, под редакцией Джузеппе Франко Баззани, Council of the Italian Physical Society (Societa Italiana di Fisica and Springer, 2006 г.).

«насколько сложно…» Эта и другие цитаты Джорджо Гратта приводятся по интервью, которое автор взял у него по телефону 19 марта 2012 г.

CUORE. История о свинцовых слитках с затонувшего древнеримского корабля основана на статье Николя Носенджо «Roman Ingots to Shield Particle Detector», Nature News, 15 апреля 2010 г., www.nature.com/news/2010/100415/full/news.2010.186.html и статье Эдвина Картлиджа «Ancient Romans Join Neutrino Hunt», Physics World, 23 апреля 2010 г., http://physicsworld.com/cws/article/news/2010/apr/23/ancient-romans-join-neutrino-hunt.

EXO-200. Среди источников информации следует назвать статью www.symmetrymagazine.org/article/february-2010/exo-takes-clean-to-an-extreme и интервью с Джорджо Граттой.

Ханс Клапдор-Кляйнгротхаус. Описание полученных им результатов и их интерпретация основана на интервью, взятых автором у Хитоши Мураямы, Джорджо Гратты и Карстена Хеегера, а также на других источниках, в частности, Эдвин Картлидж, «Double Trouble for Beta Decay», Physics World, июль 2004 г., с. 8; см. также март 2002 г., с. 5, электронная версия http://physicsworld.com/cws/article/news/2002/feb/11/rare-decay-claim-stirs-controversy; и Neutrino Physics: Beta Test, Cartlidge in Nature, 12 июля 2012 г., с. 160–162, электронная версия www.nature.com/news/neutrino-physics-beta-test-1.10988.

«Это будет великое событие…» Эта и другие цитаты Карстена Хеегера приводятся по телефонному интервью, которое он дал автору 16 марта 2012 г.

8. Семена революции

«Поиски бозона Хиггса растянулись на несколько десятилетий…» Об этих поисках рассказано в работах Син Кэролл, The Particle at the End of the Universe: How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World (New York: Dutton, 2012 г.) и Дэнис Овербай, Chasing the Higgs Boson, The New York Times, 5 марта 2012 г., электронная версия www.nytimes.com/2013/03/05/science/chasing-the-higgs-boson-how-2-teams-of-rivals-at-CERN-searched-for-physics-most-elusive-particle.html. Исторический контекст проблемы описан в книге Рея Джаявардхана, «Something for Nothing», Times Higher Education Supplement, 7 августа 1992 г., с. 15.

«Ждать пришлось действительно долго…» Цитаты Питера Хиггса приводятся по пресс-конференции, данной в университете Эдинбурга 6 июля 2012 г.; видеотрансляция этой конференции находится в Интернете по адресу http://www.ed.ac.uk/news/all-news/120704-higgs, 6 июля 2012 г.

«Жаль только…» Цитата Стивена Хокинга приводится по репортажу Пола Ринкона «Higgs Boson-Like Particle Discovery Claimed at LHC», размещенному на сайте новостей Би-би-си от 4 июля 2012 г., см. www.bbc.co.uk/news/world-18702455.

«удалось получить и новые данные, развеявшие всякие сомнения в существовании этой частицы…» См. пресс-релиз CERN «New Results Indicate That Particle Discovered at CERN is a Higgs Boson», 14 марта 2013 г., электронная версия http://press.web.cern.ch/press-releases/2013/03/new-results-indicate-particle-discovered-cern-higgs-boson.

«Бозон Хиггса – последний недостающий элемент Стандартной модели». Все цитаты Стивена Вайнберга в этой главе приводятся по телефонному интервью, которое он дал автору 10 августа 2012 г.

нулевая масса. Все цитаты Георга Раффельта в этой главе приводятся по телефонному интервью, которое он дал автору 21 марта 2012 г.

«Ноль можно было бы понять…» Эта цитата Андре де Говея приводится по телефонному интервью, взятому автором 20 марта 2012 г.

KATRIN. См. сайт проекта http://www.katrin.kit.edu.

На самом деле одна из наиболее точных оценок… См., например, Син Ремер и др. WiggleZ Dark Energy Survey: Cosmological Neutrino Mass Constraint from Blue High-Redshift Galaxies, Physical Review D 85, no. 8 (2012 г.), электронная версия http://arxiv.org/abs/1112.4940.

Лисья Верде. Цитаты приводятся по интервью, взятому автором 30 марта 2013 г. по электронной почте.

реликтовые нейтрино. См., например, Andreas Ringwald, «Prospects for the direct detection of the cosmic neutrino background», http://arxiv.org/abs/0901.1529.

Даже геофизики… Информация о противоречивых оценках возраста Земли, полученных Чарльзом Дарвином и Уильямом Томпсоном, отчасти основана на эссе «Fusion» с сайта Nobelprize.org (2012 г.), см. www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/fusion/sun_1.html; также см. Томас Хейден, What Darwin Didn’t Know, Smithsonian, февраль 2009 г.

«Воодушевившись теми замечательными экспериментами…» Цитаты из Лоренса Краусса приводятся по его статье «Why I Love Neutrinos», Scientific American, июнь 2010 г.

геонейтрино. Материал о геонейтрино и о внутреннем тепле земных недр основан на нескольких источниках, в частности, Лоренс Краусс, Шелдон Глашоу и Дэвид Шрамм, «Antineutrino Astronomy and Geophysics», Nature 310 (19 июля 1984 г.): с. 191–198; Бертрам Швартшильд, «Neutrinos from Earth’s Interior Measure the Planet’s Radiogenic Heating», Physics Today, сентябрь 2011 г, с. 14; Вильям Макдонах, Джон Лернед и Стефан Дай, «The Many Uses of Electron Antineutrinos», Physics Today, март 2012 г., с. 46.

перенесемся в Японию на два десятилетия вперед… См. T. Араки и др., «Experimental Investigation of Geologically Produced Antineutrinos with KamLAND», Nature 436 (28 июля 2005 г.): с. 499–503.

«Теперь у нас есть диагностический инструмент…» Эта цитата Ацуто Судзуки взята из новостного бюллетеня Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, под названием «First Measurement of Geoneutrinos at KamLAND», от 27 июля 2005 г., электронная версия: http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2005/07/27/first-measurement-of-geoneutrinos-at-kamland/.

«по состоянию на 2011 г.» См. статью коллаборации KamLAND «Partial Radiogenic Heat Model for Earth Revealed by Geoneutrino Measurements», Nature Geoscience 4 (2011 г.): с. 647–651.

направлять пучки нейтрино… См. Steve Nadis, «‘X-Raying’ the Earth with Neutrinos», Technology Review, август 1997 г., электронная версия www.technologyreview.com/article/400097/x-raying-the-earth-with-nutrinos/; C. A. Аргеллис, M. Бустаманте и A. M. Гаго, «Searching for Cavities of Various Densities in the Earth’s Crust with a Low-Energy Electron-Antineutrino Beta-Beam», 2012 г., электронная версия http://arxiv.org/abs/1201.6080.

«NEMO». См. Катрин Джефсен, «Researchers Developing Underwater Neutrino Experiment Make Oceanographic Discovery», Symmetry, 15 мая 2012 г., электронная версия www.symmetrymagazine.org/breaking/2012/05/15/researchers-developing-underwater-neutrino-experiment-make-oceanographic-discovery/); Никола Носенго, «Underwater Acoustics: The Neutrino and the Whale», Nature 442 (2009 г.): с. 560–561, электронная версия www.nature.com/news/2009/091202/full/462560a.html.

В обозримом будущем охотники за нейтрино смогут внести свой вклад даже в борьбу за мир… См.: A. Бернштейн, Н. С. Боуден, A. Миснер и T. Палмер, «Monitoring the Thermal Power of Nuclear Reactors with a Prototype Cubic Meter Antineutrino Detector», Journal of Applied Physics 103, 074905 (2008 г.); Дж. Р. Минкель, «To Catch a Plutonium Thief, Try Antineutrinos», Scientific American online, 8 мая 2008 г., www.scientificamerican.com/article.cfm?id=to-catch-a-plutonium-thief-try-antineutrinos.

«Топливные стержни должны прожариться в течение строго определенного времени…» Эта и другие цитаты Джона Лирнида приводятся по интервью, которое он дал автору по Skype 7 августа 2012 г.

В аналогичном направлении… См.: Терри Лазерри и др., «SNIF: A Futuristic Neutrino Probe for Undeclared Nuclear Fission Reactors», (2010 г.), электронная версия http://arxiv.org/abs/1011.3850.

для трансляции сообщений на подводные лодки… См. Патрик Хабер, “Submarine Neutrino Communication,” Physics Letters B 692, no. 4 (2010 г.): с. 268–271.

Физики сгенерировали в лаборатории Фермилаб нейтринный луч… См. Д. Д. Стансил и др., “Demonstration of Communication Using Neutrinos,” Modern Physics Letters A 27, 1250077 (2012 г.).

Один исследователь предложил связать финансовые центры… См. Брюс Дормини, “Neutrinos to Give High-Frequency Traders the Millisecond Edge,” Forbes, 30 апреля 2012 г., электронная версия www.forbes.com/sites/brucedorminey/2012/04/30/neutrinos-to-give-high-frequency-traders-the-millisecond-edge/print/.

посылать нейтринные сигналы в космос для поиска внеземной жизни… Джон Ларнед, Сандип Пакваса и Антони Зее, «Galactic Neutrino Communication», Physics Letters B 671, no. 1 (2009 г.): с. 15–19.

«Физика ошибочна везде, где ее нельзя признать безошибочной…» Эта и другие цитаты Бориса Кайзера приводятся по телефонному интервью, которое он дал автору 9 августа 2012 г.

Результаты работы обсерватории WMAP… См.: Грей Хиншоу и др., «Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results», 20 декабря 2012 г., http://arxiv.org/abs/1212.5226; Стефен Фини, Хиранья Перис и Лючия Верде, «Is There Evidence for Additional Neutrino Species from Cosmology?», редакция от 8 апреля, 2013 г., http://arxiv.org/abs/1302.0014.

«орбитального аппарата “Планк”» См. отчет коллаборации «Планк», «Planck 2013 Results. XVI. Cosmological Parameters», 20 марта 2013 г., http://arxiv.org/abs/1303.5076.

Джанет Конрад. Ее цитаты, содержащиеся в этом абзаце, приводятся по интервью, взятому у нее автором по электронной почте 30 марта 2013 г.

«Эксперименты на высокоэнергетических ускорителях…» Эта цитата Хитоши Мураямы приводится по интервью, которое он дал автору по Skype 28 марта 2012 г.

«Нейтринный эксперимент с длинной базой». Этот эксперимент описан в работе Курт Риселман, «Long-Baseline Neutrino Experiment», Symmetry, февраль 2013 г., www.symmetrymagazine.org/article/february-2013/long-baseline-neutrino-experiment; обновленная информация об эксперименте: Тони Федер, «Dark Matter Search Gets Started Deep in Sanford Lab», Physics Today, февраль 2013 г.

SNOLAB. Обзор экспериментов, которые планируется провести в лаборатории SNOLAB, сделан, например, в работе Aksel Hallin and Doug Hallman, «The Wondrous New World of Modern Particle Astrophysics», The Physics Teacher 47 (май 2009 г.): с. 274–280.

Hyper-Kamiokande. См.: K. Абе и др., «Letter of Intent: Hyper-Kamiokande – Detector Design and Physics Potential», 15 сентября 2011 г., http://arxiv.org/abs/1109.3262.

LAGUNA. См. сайт проекта http://laguna.ethz.ch/LAGUNA/Welcome.html.

«Если во Вселенной происходит что-нибудь по-настоящему интересное…» Цитата приводится по интервью, взятому автором у Линлди Уинслоу лично в Массачусетском технологическом институте 13 декабря 2011 г.

Сноски

1

Расстояние, которое свет проходит за один год, примерно 9,5 трлн км. – Прим. ред.

2

Замечательный перевод этого стихотворения на русский язык был опубликован в февральском номере журнала «Наука и жизнь» за 2000 г. Многие метафоры в нем значительно изменились по сравнению с оригиналом, однако упоминаемый здесь пассаж переведен довольно точно (пер. И. Варденги):

Для них – пустой надутый шарик / Трилльоннотонный шар / земной. / Ничто не сдвинув и / не тронув, / Они проходят сквозь него – / Так сквозь стекло скользят / фотоны, / Так пыль проносит / сквозняком. – Прим. пер.

3

Сойер Р. Вспомни, что будет. – М.: Эксмо, 2010.

4

Аббревиатура от сложного названия, означающего в переводе с английского «Поиск осцилляций нейтрино при помощи эмульсионного детектора». – Прим. пер.

5

В 2013 г. была присуждена Нобелевская премия ученым Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру, более полувека назад предсказавшим существование этой частицы. – Прим. ред.

6

AMANDA расшифровывается как «антарктический детектор мюонов и нейтрино». – Прим пер.

7

Еще более крупный подводный нейтринный телескоп строится в России, на дне озера Байкал. – Прим. ред.

8

Российская Баксанская нейтринная обсерватория, расположенная в Приэльбрусье в толще горы Андырчи, занимает объем многоэтажного здания. – Прим. ред.

9

Гульельмо Маркони (1874–1937) – итальянский инженер, один из пионеров радиотехники, лауреат Нобелевской премии по физике за 1909 г. – Прим. пер.

10

Мария Склодовская родилась в Варшаве в 1867 г.; Варшава как центр Царства Польского входила в состав Российской империи с 1815 по 1917 г. – Прим. пер.

11

Печатная копия этого письма сохранилась благодаря Лизе Мейтнер – одной из важнейших участниц изучения бета-распада, которая присутствовала на той конференции в Тюбингене. – Прим. авт.

12

Входит в Пизанскую университетскую систему. – Прим. ред.

13

Ферми Л. Атомы у нас дома. – М.: Иностранная литература, 1959.

14

Процитирован отрывок из русского перевода книги «Атомы у нас дома». – Прим. пер.

15

Искусственная радиоактивность – самопроизвольный распад атомных ядер, полученных искусственным путем. – Прим. ред.

16

«Штучка». – Прим. ред.

17

Целесообразность и этическая сторона атомных бомбардировок до сих пор вызывают острые споры. – Прим. ред.

18

В Дубне. – Прим. ред.

19

Старший сын Понтекорво Бруно Джиль, которому на момент переезда было 12 лет, отрицает эту версию. По его рассказам, вся семья разместилась в двух автомобилях. – Прим. ред.

20

На самом деле этот процесс, называемый «обратный бета-распад», заключается во взаимодействии между протоном и антинейтрино, а на выходе действительно получается нейтрон и позитрон. На тот момент Рейнес и Коуэн еще не знали, что наряду с нейтрино могут существовать и антинейтрино. – Прим. авт.

21

Радиометрическая датировка заключается в сравнении содержания радиоактивных изотопов и продуктов их распада в породе, таким образом измеряется возраст породы. – Прим. пер.

22

Перчаточный бокс – особая герметичная камера для работы с веществами, которые должны находиться в специально подобранной искусственной атмосфере. – Прим. пер.

23

Американский галлон – мера жидкости, равная 3,78 л. – Прим. пер.

24

В переводе с английского название «Sunshine» означает «Солнечный свет». Дэвис и Бакал собирались исследовать нейтрино, прилетающие на Землю от Солнца. – Прим. пер.

25

Kamioka nucleon decay experiment – «эксперимент по изучению ядерного распада в Камиока». – Прим. пер.

26

Имеется в виду эффект Вавилова – Черенкова. – Прим. ред.

27

Приблизительный перевод: «SNOLAB: на глубину за знаниями». – Прим. пер.

28

Афтершоки – слабые сейсмические толчки вскоре после землетрясения. – Прим. пер.

29

Reactor Experiment for Neutrino Oscillations – «Изучение осцилляций нейтрино на ядерном реакторе». – Прим. пер.

30

Юная девушка-детектив, впервые появившаяся в книге Эдварда Стратэмаэра в книге «Тайна старых часов», вышедшей в 1930 г. Серия о Нэнси Дрю продолжалась до 2004 г., также девушка стала героиней компьютерных игр. – Прим. пер.

31

Именно в письме к Бааде признавался: «Я совершил ужасный поступок. Заявил о существовании частицы, которую невозможно обнаружить». – Прим. авт.

32

В России наблюдения ведутся на Баксанской нейтриной обсерватории. – Прим. ред.

33

Сейчас этот проект называется DUNE (Глубокий подземный нейтринный эксперимент). – Прим. ред.

34

Созвездие Ориона представляет собой фигуру охотника. Орион в греческой мифологии – легендарный охотник огромного роста. – Прим. пер.

35

Более чувствительный прибор для поиска антиматерии – детекторный комплекс PAMELA – установлен на российском спутнике Ресурс ДК-1, который был выведен на орбиту в 2006 г. Комплекс был создан специалистами России, Италии, Германии и Швеции. – Прим. ред.

36

Это симметрия относительно одновременного отражения пространственных осей (лево-право) и изменения знака заряда (частица-античастица), как в рассмотренном примере с мюоном. – Прим. ред.

37

Эксперимент называется GERDA. – Прим. ред.

38

Современное прямое ограничение на массу электронного нейтрино получено из аналогичных экспериментов Троицк-ню-масс в подмосковном Троицке и почти точной его копии в немецком Майнце. – Прим. ред.

39

Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора. – М.: Книжный Клуб «Книговек», 2014.

40

Проект закрыт. – Прим. ред.

41

Интересные биологические результаты получены на Байкальском подводном нейтринном телескопе в России. – Прим. ред.

42

Подборка упоминаемых звукозаписей, сделанных под водой, размещена в Интернете по адресу http://listentothedeep.net/acoustics/. – Прим. авт.

43

Сцинтиллятор из пластика используется в эксперименте DANSS на Калининской АЭС в России. – Прим. ред.

44

Замечены аномалии и в галлиевых экспериментах, а также недостача в реакторных антинейтрино, которые возможно объяснить при добавлении нейтрино четвертого типа. – Прим. ред.

45

Проект объединился с LBNE, поменявшим название на DUNA, реализация которого намечена в США. – Прим. ред.

Content

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

Глава 1 Охота начинается

Глава 2 Ужасный поступок

Глава 3 Погоня за призраком

Глава 4 Подземное солнце

Глава 5 Космические хамелеоны

Глава 6 Взрывающиеся звезды

Глава 7 Акты исчезновения

Глава 8 Семена революции

Благодарности

Глоссарий

Примечания

1. Охота начинается

2. Ужасный поступок

3. Погоня за призраком

4. Подземное Солнце

5. Космические хамелеоны

6. Взрывающиеся звезды

7. Акты исчезновения

8. Семена революции

Сноски