Надежда на BEST
Нейтрино это элементарные частицы, которые примечательны по нескольким причинам. Во-первых, нейтрино практически не взаимодействуют с остальным веществом: поток нейтрино свободно проходит всю Землю насквозь. Во-вторых, нейтрино бывают трех типов и при этом они могут осциллировать, то есть превращаться из нейтрино одного типа в нейтрино другого типа. В-третьих, ряд теоретиков предполагает существование четвертого типа нейтрино, которое называют стерильным. Новый эксперимент в обсерватории под горами Кавказа призван либо доказать наличие этих частиц, либо закрыть эту возможность.
«Это не просто еще одна частица. Это попытка найти, причем сравнительно простым и относительно дешевым методом — если сравнивать с Большим адронным коллайдером, например — новую физику. Новая физика это и понимание того, что такое темная материя: возможно, она окажется теми самыми стерильными нейтрино. И, что возможно, выход на новые технологии. Нельзя исключать, что новые нейтрино окажутся представителями неизвестного класса частиц, которые еще и взаимодействуют между собой каким-то иным способом. Если мы нападем на след этого нового взаимодействия, то не исключено что мы научимся его использовать на практике: подобно тому, как открытие ядерного взаимодействия привело к появлению ядерных технологий», — говорит Григорий Рубцов, заместитель директора Института ядерных исследований.
Читайте также: Осцилляции нейтрино — феномен, за открытие которого присудили Нобелевскую премию по физике 2015 года
Сегодня фундаментальных взаимодействий нам известно ровно четыре: электромагнитное, сильное, (оно скрепляет частицы внутри ядер атомов и кварки внутри протонов с нейтронами), слабое (отвечающее за превращения кварков друг в друга) и гравитационное. Сто лет назад их было всего два: физики знали электромагнетизм и гравитацию. Открытие сильного и слабого взаимодействий позволило создать атомные электростанции, ядерное оружие, лучевую терапию рака и многое другое.
Теоретическое предсказание нейтрино, кстати, было ключевым событием на пути к открытию слабого взаимодействия. В 1930 году Вольфганг Паули придумал эту частицу, чтобы спасти закон сохранения энергии в ядерных реакциях с бета-распадом. Конечная энергия частиц, получающихся в ходе распада, оказывалась меньше начальной. Следовательно, остаток приходится на долю какой-то еще, до сих пор неизвестной частицы, которую экспериментаторы тогда не видели; через несколько лет после идеи Паули другой ученый, Энрико Ферми, разработал теорию, где вдобавок к электромагнитному и сильному (ядерному) взаимодействию появлялось еще одно, позже названное «слабым». Слабое взаимодействие могло превращать нейтрон в протон и порождать электрон и нейтрино.
Правоту Паули доказала через 26 лет группа американских физиков, проводя опыты с ядерным реактором и специальным детектором. Из того миллиона триллионов нейтрино, которые возникали в реакторе и пролетали через детектор каждую секунду, некоторые в какой-то момент должны были пролететь не между атомными ядрами, а удариться в одно из них. Столкновение должно было породить микроскопическую вспышку. Залив в свою установку более двух тонн специально подобранного раствора (смеси органических жидкостей) и обложив ее вокруг чувствительными приборами для регистрации сверхслабых вспышек света, ученые смогли насчитать за час всего три таких вспышки — они-то и стали первыми обнаружениями нейтрино.
Принципиально нейтринные обсерватории с тех пор не поменялись: эти едва уловимые частицы ловят в кромешном мраке. А чтобы защитить детекторы от всевозможных помех (других частиц, прилетающих из космоса и радиоактивных веществ в горных породах) спускаются как можно глубже и окружают ловушки для нейтрино дополнительными экранами.
Американские физики разместили свой детектор IceCube (дословно «кубик льда») прямо в леднике на Южном полюсе, итальянские исследователи оборудовали нейтринные обсерватории в ответвлениях автомобильных тоннелей под горами, канадцы и японцы использовали старые шахты.
В России есть два больших нейтринных проекта: подводный нейтринный телескоп в Байкале — именно в, поскольку он погружен в воду — и Баксанская нейтринная обсерватория в тоннелях под горой Андырчи в Кабардино-Балкарии.
Все ухищрения, которые предпринимают физики: уход поглубже в воду или толщу земли, строительство детектора побольше, расположение рядом с интенсивным источником нейтрино вроде большой АЭС — призваны сделать помехи поменьше, а «нейтринный улов» побольше. Начавшаяся в прошлом веке охота за нейтрино привела к открытию нейтрино трех типов (электронное, мюонное и тау), показала, что они иногда превращаются друг в друга (или осциллируют) и даже привела к обнаружению нейтрино, порождаемых вспышками сверхновых звезд.
Но обнаружить стерильное нейтрино, если оно действительно существует, никакой детектор напрямую не позволит: согласно теории, оно вовсе не взаимодействует ни с чем, кроме гравитационного поля. Иными словами, такие частицы пролетают сквозь любой материал и не сталкиваются даже с атомными ядрами. То есть они в буквальном смысле невидимы.
Казалось бы, доказательство существования принципиально неуловимой частицы звучит слишком похоже на поиски возможно отсутствующей черной кошки в темной комнате. Тем не менее, она решаема. Потому что, в отличие от кошек, нейтрино осциллируют.
За стерильными нейтрино охотятся уже очень, очень долго. Последний громкий результат был получен на эксперименте MiniBooNE в национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США (она же Фермилаб), где ловят нейтрино полтора десятка лет. 1 июня прошлого года физики опубликовали суммарную статистику своих наблюдений с интересной аномалией. Они облучали потоком мюонных нейтрино свой детектор и смотрели, сколько в результате из мюонных нейтрино появляется электронных. Теория с тремя типами нейтрино предсказывает на таких масштабах 1977 подобных событий. Американцы насчитали на 461 больше. Но им пока так никто не не поверил: стоило ученым выложить свою статьи в открытый доступ, еще до окончания процедуры рецензирования, авторитетнейший журнал Science призвал экспериментаторов внимательно проверить свои данные — не набрали ли они просто 461 ошибку за 15 лет наблюдений? И c решением вопроса о существовании стерильных нейтрино наука решила подождать.
Читайте также: Модная частица. В Фермилаб сообщили о поимке стерильного нейтрино. Другие физики подоревают, что пока вместо нейтрино поймали только хайп
Российские физики намерены искать наоборот, не лишние, а недостающие события. Принцип такой: если какие-то ни с чем не взаимодействующие частицы реальны, то в них превращается часть новорожденных нейтрино уже известных типов. Следовательно, суммарный поток нейтрино известного типа от источника будет меньше расчетного. Эта логика напоминает поиск утечки из водопровода: даже если течь расположена в каком-то неизвестном и недоступном месте, о ней можно узнать по разности между закачиваемым и вытекающим через краны объемами воды.
В качестве источника нейтрино для эксперимента BEST ученые используют радиоактивный изотоп хрома, хром-51. Он имеет малый период полураспада — менее 28 дней — зато ярко «светит» нейтрино за счет бета-распада: реакции, при которой один из протонов превращается в нейтрон и вместе с этим испускает нейтрино.
Читайте также: Неуловимое нейтрино. IceCube не нашел стерильных нейтрино
Изготовленый на предприятиях Росатома небольшой цилиндр из радиоактивного хрома физики поместили в центре двух вложенных друг в друга больших цистерн с жидким галлием, металлом, который плавится уже при 30 градусах Цельсия.
«Мы использовали галлий, — говорит Григорий Рубцов, — потому что он гораздо плотнее используемых обычно для регистрации нейтрино веществ. В плотном галлии наш мощный источник позволит увидеть переход нейтрино в стерильные на очень маленьком расстоянии, намного меньше, чем в других экспериментах. Те удалены от источников — например, ядерных реакторов — на много метров или даже на расстояние порядка километра, а у нас все вплотную».
Ядра атомов галлия, если в них попадает нейтрино, превращаются в ядра германия. Ученые рассчитали, что за сутки нейтринной бомбардировки детектора в виде «матрешки» из двух цистерн с галлием, примерно 65 атомов галлия в каждой цистерне должны стать атомами германия. Но это если стерильных нейтрино не существует, и все нейтрино, возникшие при распаде атомов радиоактивного хрома-51, будут принадлежать уже известным типам, которые взаимодействуют с ядрами атомов. Если атомов германия во внешней цистерне с галлием вдруг окажется меньше, чем в первой, внутренней — это будет значить, что часть нейтрино за время путешествия между контурами осциллировала, превратилась в стерильные и потому не прореагировала с ядрами галлия. Получившаяся разница (если она получится) будет серьезным аргументом в пользу гипотезы о стерильных частицах.
Пятидесятитонная галлиевая емкость в обсерватории, кстати, крупнейшая в мире. В ней галлия столько, сколько добывают на Земле за несколько месяцев.
Поиск стерильных нейтрино планируется разбить на серию из десяти наблюдений по 9 дней каждое, поэтому ученым потребуется найти в многотонной цистерне меньше тысячи атомов германия-71: это почти как найти одну, едва видимую глазом пылинку среди песков Сахары.
С точки зрения обычной химии это невозможно. Но находить около 95% всех прореагировавших с нейтрино атомов физики уже научились. Для этого весь галлий прокачивают через фильтр, собирающий германий — как тот, что входит в состав металла в качестве примеси, так и те редкие атомы, которые образовались в ходе опыта.
А затем этот германий загрузят в другой детектор. Образующийся при столкновении с нейтрино германий радиоактивен, поэтому его можно обнаружить и даже посчитать его атомы чуть ли не поштучно. Надо просто подождать пока прибор зафиксирует некоторое количество радиоактивных распадов — их число и скажет, сколько атомов германия получились из-за столкновения с нейтрино.
Первые данные наблюдений будут опубликованы к середине октября этого года. Весь эксперимент, впрочем, будет длиться много лет, чтобы физики могли удостовериться — зарегистрированный в Баксанской обсерватории эффект (или его отсутствие) не плод статистических флуктуаций, а действительное свидетельство в пользу существования (или несуществования) невидимой частицы, которую наука ищет уже десятки лет.
Прорыва в новую физику из российской подземной обсерватории придется еще подождать.