Что вообще такое нейтрино? Как устроены частицы, ради которых пробурили Южный полюс и дали уже шестую Нобелевскую премию по физике

Каждую секунду через один квадратный сантиметр земной поверхности — и через тело каждого человека — пролетает около ста миллиардов мельчайших частиц, которые называются нейтрино. Они движутся непрерывно днем и ночью, проходя сквозь здания, людей и саму планету Земля. При этом мы ничего не ощущаем: эти частицы не задевают клетки нашего организма и не оставляют после себя никаких заметных следов.

По современным подсчетам физиков, во Вселенной существует примерно 10⁸⁹ нейтрино (это единица с восемьюдесятью девятью нулями). Если сопоставить это число с количеством обычного вещества, окажется, что на каждый атом во Вселенной приходится по одному миллиарду нейтрино.

Несмотря на то что это самые распространенные частицы материи в космосе, зафиксировать их приборами невероятно трудно. Именно поэтому создание технологий, позволяющих улавливать и изучать нейтрино, считается одним из сложнейших направлений в науке. До недавнего времени Нобелевскую премию по физике присуждали за исследования этих частиц уже пять раз. В этом году награду в этой области получил американский физик Фрэнсис Халзен. Премию ему вручили за ключевой вклад в строительство антарктической обсерватории IceCube и за обнаружение нейтрино сверхвысоких энергий, прилетающих из далекого космоса.

Почему нейтрино проходят сквозь любое вещество

Чтобы понять, почему нейтрино свободно пролетают сквозь стены и планеты, нужно разобраться, как они устроены и чем отличаются от привычной нам материи.

Все вокруг нас состоит из атомов, а сами атомы делятся на более мелкие части: ядро (состоящее из протонов и нейтронов) и вращающиеся вокруг него электроны. Протоны и нейтроны, в свою очередь, тоже состоят из еще более мелких деталей. А вот нейтрино — это фундаментальная, то есть неделимая частица. Насколько известно современной науке, у нее нет внутренней структуры и ее нельзя разбить на составные части. Физики выделяют три разновидности нейтрино (в научной литературе их называют «ароматами» или поколениями): электронное, мюонное и тау-нейтрино.

Главная особенность всех трех разновидностей заключается в том, что у них нет электрического заряда. Для обычной жизни это свойство имеет решающее значение. Когда мы опираемся рукой о стол и чувствуем его твердость, на самом деле атомы нашей руки не соприкасаются с атомами дерева вплотную. Между ними действуют силы электромагнетизма: отрицательно заряженные электроны в атомах стола отталкивают отрицательно заряженные электроны в атомах нашей кожи. Именно электрическое отталкивание делает предметы непроницаемыми друг для друга и не дает нам провалиться сквозь пол.

Поскольку у нейтрино электрического заряда нет вообще, электромагнитные силы на них не действуют. Пролетая сквозь плотное вещество, нейтрино не притягиваются к ядрам атомов и не отталкиваются от их электронных оболочек. Для них твердое вещество представляет собой практически абсолютную пустоту.

Вторая важная характеристика этих частиц — их вес. Долгое время считалось, что нейтрино вообще ничего не весят, как частицы света. Позже выяснилось, что масса у них все-таки есть, но она ничтожно мала. По примерным оценкам, нейтрино весит около десяти миллионов раз меньше, чем один электрон. При этом ученые до сих пор не смогли измерить эту массу точно и даже не знают, за счет какого физического процесса она возникает. Из-за столь малого веса и отсутствия контакта с окружающим веществом нейтрино разгоняются в пространстве почти до скорости света.

Как же тогда физики вообще узнают об их присутствии? Дело в том, что помимо электромагнетизма и гравитации внутри атомов действуют еще две силы, и одна из них называется слабым ядерным взаимодействием. Эта сила проявляется только на сверхмалых расстояниях — когда одна частица подлетает практически вплотную к составным частям атомного ядра. Слово «слабое» в названии используется по прямой причине: эта сила примерно на двадцать порядков (то есть в сто квинтиллионов раз — единица с двадцатью нулями) слабее привычного нам электромагнетизма.

Нейтрино чувствительны только к гравитации и к этому слабому взаимодействию. Поэтому, чтобы нейтрино выдало свое присутствие, оно должно случайно попасть точно в крошечное ядро какого-нибудь атома на своем пути. Вероятность такого прямого попадания ничтожно мала. Как объясняет Джордж Фуллер, если поставить на пути потока нейтрино сплошную свинцовую преграду толщиной в несколько световых лет (один световой год равен примерно 9,5 триллиона километров), большинство частиц пролетят сквозь этот свинец насквозь, ни разу не задев ни одного атома.

История открытия: от теоретической догадки до первого детектора

Именно из-за этой способности проходить сквозь материю ученые долго сомневались, что нейтрино когда-нибудь удастся обнаружить приборами.

Само понятие этой частицы появилось в 1930-х годах не в результате наблюдений, а из-за математической проблемы. В то время физики изучали радиоактивный распад атомных ядер и заметили странное явление: после распада суммарная энергия разлетевшихся частей оказывалась меньше, чем была у исходного ядра до распада. Часть энергии исчезала без следа. Это противоречило фундаментальному закону сохранения энергии, согласно которому энергия не может возникнуть из ничего или просто исчезнуть.

Австрийский физик Вольфганг Паули предложил смелое решение этой загадки. Он предположил, что в момент распада из ядра вылетает еще одна, невидимая для приборов частица, которая и уносит с собой недостающую долю энергии. Сначала Паули назвал ее «нейтроном», а позже итальянский физик Энрико Ферми переименовал ее в «нейтрино» (что по-итальянски означает «маленький нейтрон»). Выдвинув эту идею, сам Паули заявил коллегам, что совершил ужасный поступок для ученого, поскольку придумал частицу, существование которой невозможно проверить на опыте.

На протяжении четверти века Паули оказывался прав: ни один прибор не мог засечь неуловимые частицы. Ситуация изменилась только в 1956 году, когда американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнес провели сложный эксперимент, получивший кодовое название «Проект «Полтергейст»».

Ученые рассуждали логично: если вероятность поймать одно нейтрино близка к нулю, нужно расположить датчик рядом с источником, который производит эти частицы в гигантских количествах. Таким источником стал атомный реактор. Коуэн и Райнес установили вплотную к реактору большие баки с водой, в которой была растворена соль кадмия, и окружили их датчиками. Каждую секунду через баки пролетали триллионы нейтрино от реактора. Подавляющее большинство проходило мимо, но несколько раз в час случайная частица все же врезалась в ядро атома водорода в воде, вызывая характерную двойную вспышку энергии. Так человечество впервые получило прямое доказательство того, что нейтрино реально существуют.

Зачем строить обсерваторию во льдах Южного полюса

Поймать нейтрино от ядерного реактора или от Солнца в современных лабораториях уже не составляет непреодолимой проблемы, потому что эти источники находятся близко к нам и испускают колоссальные потоки частиц. Однако Фрэнсиса Халзена интересовали другие нейтрино — те, что прилетают из глубокого космоса и обладают огромной энергией.

Такие частицы долетают до Земли гораздо реже солнечных. Если построить для их поиска обычный лабораторный бак с водой размером с дом, ученым придется ждать случайного столкновения десятки или сотни лет. Чтобы фиксировать редкие космические нейтрино регулярно, нужна мишень колоссального размера — объемом хотя бы в один кубический километр. Построить искусственный резервуар такого масштаба и заполнить его идеально чистой жидкостью технически невозможно и слишком дорого.

В 1990-х годах Фрэнсис Халзен понял, что подходящая гигантская мишень на Земле уже существует в природе — это ледяной щит Антарктиды на Южном полюсе.

Почему был выбран именно глубинный антарктический лед? Если взять обычный лед из домашнего морозильника или замерзшего озера, он будет мутным из-за множества мелких трещин и застывших пузырьков воздуха. Свет в таком льду сразу рассеивается и гаснет. Но в Антарктиде снег накапливался и спрессовывался миллионами лет, образовав ледяной панцирь толщиной в несколько километров. На глубине более полутора километров давление верхних слоев настолько велико, что все пузырьки воздуха полностью исчезают, встраиваясь в кристаллическую решетку льда. Кроме того, на такой глубине царит абсолютная темнота, туда не проникает солнечный свет с поверхности, а сам лед чище и прозрачнее лабораторного стекла.

Команда инженеров и физиков под руководством Халзена реализовала на Южном полюсе масштабный строительный проект. С помощью специальных установок, подающих горячую воду под давлением, они растопили в толще ледника десятки узких вертикальных шахт глубиной до двух с половиной километров на площади в один квадратный километр. Пока вода в шахтах не замерзла обратно, в них опустили длинные прочные кабели. На каждом кабеле были закреплены десятки стеклянных сфер со сверхчувствительными датчиками света (в технике их называют фотоэлектронными умножителями). Когда вода в скважинах снова превратилась в лед, датчики оказались намертво вмороженными в прозрачную толщу. В результате один кубический километр природного льда превратился в единый оптический прибор — обсерваторию IceCube.

Как именно этот ледяной куб ловит частицы? Сам пролет нейтрино датчики не видят. Они ждут момента, когда нейтрино из космоса случайно столкнется с ядром атома кислорода или водорода в молекуле замерзшей воды. Когда такое редкое прямое попадание происходит, удар порождает новую частицу, имеющую электрический заряд, — быстрый электрон или его более тяжелую разновидность, которая называется мюоном.

Этот рожденный при ударе мюон наследует от нейтрино огромную скорость и продолжает лететь сквозь лед практически в том же направлении. Здесь вступает в силу интересный закон оптики. В пустом космическом пространстве ничто не может двигаться быстрее света (около 300 тысяч километров в секунду). Но когда свет проходит сквозь прозрачное вещество, например воду или лед, он замедляется примерно на четверть. А быстрый мюон, выбитый ударом нейтрино, летит сквозь толщу льда быстрее, чем в этом же льду способен распространяться свет.

Из-за такого превышения скорости мюон оставляет за собой в прозрачном льду конус голубого свечения — в физике это явление называется черенковским излучением. Вмороженные в лед датчики в полной темноте фиксируют эту голубую вспышку с точностью до миллиардных долей секунды. Компьютеры сопоставляют, какие именно датчики сработали первыми, какие — следом, и насколько ярким был свет. По этой цепочке срабатываний ученые точно вычисляют энергию прилетевшего нейтрино и проводят прямую линию назад в космос, определяя, из какой точки звездного неба прибыла частица.

Зачем астрономам нужны космические нейтрино

За целый год непрерывной работы гигантский детектор IceCube улавливает всего несколько десятков нейтрино сверхвысоких энергий из дальнего космоса. Возникает закономерный вопрос: оправдывают ли несколько десятков пойманных частиц многолетние усилия по бурению Антарктиды? На самом деле, именно эти единичные частицы дают науке сведения, которые невозможно получить никаким другим способом.

На протяжении всей истории человечества астрономия изучала космос с помощью света — сначала видимого глазом, а в двадцатом веке также с помощью радиоволн, инфракрасного, рентгеновского и гамма-излучения. Все это — разные виды электромагнитных волн. Проблема в том, что свет легко задержать. В космосе огромные пространства заполнены облаками газа и пыли, которые закрывают от нас далекие объекты.

Более того, самые мощные процессы во Вселенной происходят в местах с чудовищной плотностью вещества — например, внутри массивных звезд в момент их гибели и сжатия, или в непосредственной близости от черных дыр. Обычный свет не может вырваться из такой плотной среды: он постоянно сталкивается с атомами, поглощается и переизлучается, полностью теряя информацию о том, что происходило в центре событий.

Для нейтрино эти преграды не существуют. Рождаясь в самом центре умирающей звезды или возле черной дыры, они за доли секунды прошивают окружающие плотные слои вещества и вылетают в открытый космос. Если такое нейтрино долетает до Земли и попадает в детектор IceCube, ученые получают прямые данные о физических процессах, скрытых за непрозрачными газовыми оболочками.

Некоторые находки обсерватории уже поставили перед физиками трудные вопросы. Отдельные космические нейтрино, пойманные во льдах Антарктиды, обладают энергией примерно в десять миллиардов раз большей, чем обычные нейтрино, прилетающие к нам от Солнца. А недавно на другой научной установке аналогичного типа исследователи зафиксировали частицу, энергия которой оказалась еще в двести раз выше этого показателя.

Откуда именно прилетела эта рекордная частица и какой космический объект смог разогнать ее до такой мощности — ученые пока не знают. В современной астрофизике просто нет точного объяснения механизмам, способным придавать отдельным частицам столь колоссальную энергию. Сам факт того, что эта частица возникла и смогла преодолеть огромные расстояния в космосе, говорит о том, что наши представления об устройстве Вселенной еще далеко не полны.

Как ученые ищут самые древние нейтрино во Вселенной

В то время как обсерватория на Южном полюсе отслеживает частицы самой высокой энергии, другая группа исследователей пытается обнаружить самые старые нейтрино, которые появились в момент зарождения нашего мира. В этой работе активно участвует Калифорнийский университет в Сан-Диего.

Университет выступил одним из основателей Обсерватории Саймонса — крупного научного комплекса, построенного на большой высоте в сухой чилийской пустыне Атакама. Научным руководителем этого проекта работает заслуженный профессор физики университета Брайан Китинг.

Изначально телескопы Обсерватории Саймонса создавались для наблюдения за так называемым реликтовым излучением. Это самый древний свет во Вселенной, который сохранился с ранних этапов ее существования после Большого взрыва и до сих пор равномерно заполняет все космическое пространство. Изучая мельчайшие перепады температуры этого древнего света, космологи узнают, как распределялось вещество на заре формирования галактик.

Однако выяснилось, что высокоточные приборы в пустыне Атакама способны решать еще одну задачу. Самые древние нейтрино родились в первые мгновения после Большого взрыва — за сотни тысяч лет до того, как молодая Вселенная остыла достаточно, чтобы сквозь нее смог свободно проходить обычный свет. Огромная масса этих древних нейтрино своим притяжением и движением повлияла на то, как формировалась ранняя материя, и оставила характерный отпечаток на древнем свете.

Расшифровывая данные Обсерватории Саймонса, ученые рассчитывают получить самый большой в истории объем косвенной информации о древнейших космических нейтрино. Объединение данных из чилийской пустыни и антарктических льдов позволит физикам проследить историю Вселенной на всех ее этапах — от первых секунд после Большого взрыва до самых мощных катастроф, происходящих в далеких галактиках в наши дни. Вот так, даже самую неуловимую частицу в природе можно превратить в надежный рабочий инструмент для изучения космоса.