Детектор ORCA поймал 5828 нейтрино на морском дне. Новой физики нет

Теорию относительности снова не сломали. Коллаборация KM3NeT выловила из глубин Средиземного моря 5828 атмосферных нейтрино и сравнила их поведение с предсказаниями Эйнштейна. Расхождений нет. Совсем.

На бумаге — строчка из отчёта. В реальности за этими цифрами машина, которая держит под наблюдением сотни килотонн воды на глубине двух с половиной тысяч метров. А ещё история о том, почему для проверки одной математической симметрии понадобилось утопить в море целый город фотоумножителей.

Почему нейтрино, а не что-то попроще

Лоренц-инвариантность вовсе не заумная абстракция. Это правило, по которому законы физики не меняются, с какой скоростью ни лети и в какую сторону ни смотри. Именно из него Эйнштейн вывел специальную теорию относительности. Пока правило работает, GPS не врёт, ускорители не рассыпаются, а атомные часы на спутниках и на Земле идут с предсказуемой разницей.

Но есть нюанс. Теории, которые пытаются подружить гравитацию с квантовой механикой, часто предполагают, что на сверхмалых масштабах пространство-время перестаёт быть гладким. Оно становится зернистым. А если пространство зернистое, симметрия может слегка нарушаться. Не сильно, но достаточно, чтобы это заметил очень чувствительный прибор.

Нейтрино здесь идеальный свидетель. Они почти не взаимодействуют с веществом, поэтому летят сквозь Землю, звёзды и туманности, не сбиваясь с пути. По дороге они превращаются из одного «аромата» в другой. Этот процесс называется нейтринными осцилляциями, и его вероятность предсказывается с точностью, которой позавидует любой бухгалтер.

Если предсказание разойдётся с реальностью, значит, по дороге вмешался какой-то новый физический эффект.

Атмосферные нейтрино хороши тем, что приходят со всех сторон сразу. Одни рождаются прямо над детектором и летят сотню километров. Другие появляются на противоположной стороне планеты, проходят сквозь Землю и добираются до ORCA, намотав двенадцать тысяч километров. Один детектор, миллион разных условий полёта. Реакторные нейтрино летят с одной установки, ускорительные с одной точки. Атмосферные дают естественный сканирующий луч по всему небу. Разные длины пробега означают разную чувствительность к разным типам нарушения симметрии. Один прогон данных закрывает сразу диапазон моделей, а не одну конкретную.

Детектор, который не помещается в лабораторию

Поймать нейтрино сложно. Вероятность взаимодействия настолько мала, что мишенью должна быть целая гора или океан. Бочка с жидкостью тут не поможет. Поэтому ORCA представляет собой решётку из фотоумножителей, опущенную на дно Средиземного моря в 40 километрах от Тулона, на глубину 2450 метров. Когда нейтрино вступает в реакцию с водой, рождается заряженная частица. Она летит быстрее света в воде и испускает черенковское излучение, голубое свечение, которое и ловят датчики.

Воду выбрали не просто так. Лёд на Южном полюсе тоже годится, но средиземноморская вода прозрачнее, а главное, её не надо бурить и замораживать обратно. Опустил гирлянду, подключил, работает.

Ловят именно свет. Черенковский конус даёт угловое разрешение, по которому восстанавливается направление прилёта частицы. Без этого нельзя отличить нейтрино, пришедшее сверху, от того, что прошло сквозь Землю. А на этом различии держится вся методика.

Глубина в две с половиной тысячи метров тоже не для красоты. Выше мешает солнечный свет и мюоны от космических лучей. Толща воды работает как щит, отсекая всё лишнее. Подняли бы решётку на километр, и она утонула бы в фоновом шуме.

С энергией та же логика. Нейтрино передаёт её мюону или ливню частиц. Те теряют энергию на ионизацию и излучение, часть уходит в черенковский свет. Чем ярче вспышка, тем больше была энергия исходного нейтрино. Точность здесь скромная, но её хватает, чтобы разложить события по энергиям.

Сейчас ORCA достраивается. В полной конфигурации будет 115 детекторных единиц, каждая с 18 оптическими модулями, в каждом по 31 фотоумножителю. Но даже те шесть гирлянд, которые работали с января 2020 по ноябрь 2021 года, уже дали результат, сопоставимый с детектором IceCube и экспериментом Super-Kamiokande. За это время набралось 510 дней наблюдений и 433 килотонн-лет экспозиции. Шесть из ста пятнадцати. Пять процентов от запланированного объёма. Представьте, что вы тестируете новую ракету на одном двигателе и получаете тягу, как у полной ступени. Приятно, но настораживает. В хорошем смысле.

Что именно они искали

Физиков интересовал конкретный сдвиг в вероятности превращения мюонного нейтрино в тау-нейтрино. Некоторые модели квантовой гравитации предсказывают, что этот сдвиг должен быть разным для разных ароматов. ORCA впервые дал ограничения именно для этой пары.

Тау-нейтрино в атмосфере почти не рождаются. Они появляются только в процессе осцилляций. Любое отклонение в их количестве — прямой сигнал аномалии, которую не спутаешь с ошибкой детектора.

Результат нулевой. Новый верхний предел на такие эффекты оказался ниже, чем у Super-Kamiokande с его двенадцатью годами данных, и сопоставим с IceCube. Хотя ORCA работал в неполной конфигурации, шесть детекторных линий из ста пятнадцати. Квантовая гравитация от этого не умерла. Просто если она и нарушает симметрию, то слабее, чем мы надеялись зацепить. Препринт коллаборации с методикой и таблицами пределов лежит в открытом доступе.

Почему это не скучно, а важно

Можно сказать, опять ничего не нашли. Утопили аппаратуру в море, а Эйнштейн снова прав. Но это как сказать, что поиск потерянных ключей под фонарём бесполезен, потому что ключей там нет. Бесполезно было бы не искать. Отрицательный результат в физике не провал. Это сужение коридора, по которому может прятаться новая физика. А не искать — значит вообще не знать, где этот коридор заканчивается.

Каждый такой эксперимент отрезает у теоретиков кусок пространства для манёвра. Раньше можно было сказать, что нарушение есть, но мы его не видим, потому что оно маскируется. Теперь так сказать не получится. Придётся придумывать модели, которые выживают при новых ограничениях. Это медленно и дорого. Но именно так физика и работает.

В 2015 году Нобелевскую премию дали за нейтринные осцилляции. ORCA из той же семьи. Только он смотрит не на далёкие космические взрывы. Его интересует, как ведёт себя сама ткань пространства-времени. И пока эта ткань ведёт себя прилично.

Пять тысяч восемьсот двадцать восемь событий. Ни одно не противоречит Эйнштейну.

Так стоило ли оно того

Стоило. Хотя бы потому, что физика редко выдаёт прорывы без многолетней проверки того, что уже работает. Если завтра кто-то построит теорию, которая объяснит и гравитацию, и кванты, ей всё равно придётся пройти через сито таких вот скучных экспериментов. И если она не пройдёт, теория отправится в мусорку, какой бы красивой она ни была.

Прав ли Эйнштейн, уже не так интересно. Интереснее другое. Готовы ли мы платить за то, чтобы узнать, где именно он может быть неправ?

Источник: KM3NeT Collaboration (arXiv)