Страница 10 из 44
Новое поколение детекторов для солнечных нейтрино было настроено искать нарушение Стандартной модели или же экзотического поведения Солнца – третьего не дано. А первое поколение больших нейтринных телескопов планирует заглянуть далекодалеко в космос…
В двадцатые – тридцатые годы физики и астрономы предложили модель термоядерных реакций внутри Солнца, из которых наше светило черпает свою энергию. Расчеты шестидесятых годов показали, что около двух процентов энергии уносит нейтрино. Так вот, до Земли долетало меньше половины того, что предсказывали расчеты.
В Стандартной модели есть три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тау-лептонное. У них нет заряда, массы, и все они очень слабо взаимодействуют с веществом. По этой причине их сложно зарегистрировать. Мало того, если вы работаете на поверхности Земли, редкие сигналы от нейтрино потонут в потоке событий от космических лучей, поэтому приходится забираться под землю. А из-за слабости взаимодействия объем установки должен быть очень большим. Теория предсказывает, что более шестидесяти миллиардов нейтрино пронизывают каждый квадратный сантиметр поверхности Земли за секунду, но первым детекторам удавалось поймать лишь по несколько штук за неделю.
Титанические усилия ловцов нейтрино были вознаграждены в 1987 году, когда именно они поймали 19 штук нейтрино от сверхновой за несколько часов до прихода света от этого события. Дело в том, что нейтрино начинают прорываться из центра сверхновой, пока оболочка еше не прозрачна для света. После этого события во всем мире резко возрос интерес к поискам космических источников нейтрино. Огромное преимушество этого вида частиц перед другими излучениями в том, что оно беспрепятственно проходит толщи вещества и может донести до нас совершенно уникальную информацию.
На этом участке неба, сфотографированном космическим телескопом имени Хаббла, удалось разглядеть шесть галактик, по свету от которых мы можем изучить процессы во Вселенной, не достигшей и миллиарда лет.
Три из четырех нейтринных экспериментов использовали технику радиохимического анализа. Долетевшее до Земли нейтрино взаимодействует с ядром хлора в шести сотнях тонн перхлорэтилена в американской установке «Homestake». В результате получаются атомы радиоактивного аргона, которые пересчитывают. Установка расположена в золотой шахте на глубине полутора километров. В двух других экспериментах пересчитывают атомы радиоактивного германия, рождающегося во взаимодействии с галлием. Установка GALLEX в подземной лаборатории «Гран Сассо» содержит тридцать тонн галлия. В советско-американском эксперименте SAGE в Баксанской лаборатории под горой Андырчи на Кавказе используется 60 тонн металлического галлия.
Четвертая установка – Камиоканде – расположена в цинковой шахте Камиока на глубине в километр в Японских Альпах. В ней используется семьсот тонн сверхчистой воды и регистрируются лишь нейтрино высокой энергии – более семи миллионов электронвольт – по черенковскому свету от мюонов или электронов, выбитых из ядер (хлорный метод чувствителен к нейтрино энергичнее восьмисот килоэлектронвольт, а галлиевый позволяет достичь двухсот килоэлектронвольт). Черенковское излучение возникает при движении частицы со скоростью больше скорости света в среде. Аналогичные ударные волны расходятся от самолета, летящего быстрее звука. В отличие от радиохимических экспериментов, Камиоканде измеряет направление пришедшей частицы и ее энергию.
Все четыре эксперимента регистрировали меньше нейтрино от Солнца, чем должно быть по предсказаниям Стандартной модели. Единственная возможность объяснить этот дефицит – предположить, что у нейтрино есть совсем крошечная масса порядка трех тысячных электрон вольта. Если это так, то они могут превращаться в нейтрино другого сорта, что строго-настрого запрещено им в Стандартной модели, где его масса нулевая. Это превращение (называемое на научном языке осцилляциями ) приводит к тому, что до Земли долетает меньше электронных нейтрино, что и чувствуют установки.
Распределение космических лучей высоких энергий
В апреле 1996 года заработала еще одна японская установка – Суперкамиоканде, которая содержит уже более двадцати тысяч тонн сверхчистой воды. За несколько месяцев работы она зарегистрировала больше нейтринных событий, чем все остальные приборы за двадцать пять лет наблюдений, и именно с ее помощью в прошлом году была обнаружена масса нейтрино и разрешена загадка дефицита солнечных частиц.
В начале 1997 года была пушена установка в никелевой шахте на глубине более двух километров в провинции Онтарио. В ней уже используется тяжелая вода, которая дает возможность различать разные сорта нейтрино. Под ударами различных нейтрино ядро дейтерия, входяшее в состав тяжелой воды, разваливается на разные части. Установка должна просто пересчитывать все сорта нейтрино.
Три новых детектора запускаются и в тоннеле Гран Сассо. В общем, видно, что нейтринная астрономия из экзотического хобби немногих чудаков превращается в мощную отрасль науки.
Следуя за традиционной астрономией, работающей в очень широком диапазоне длин волн – от метровых радиоволн до гамма-лучей в миллионную долю микрона, – нейтринная астрономия стремится расширить спектр энергий, ще ведется наблюдение.
Современные нейтринные телескопы ставят своей целью покрыть как можно большую площадь своими детекторами. Два из них уже начали работать. Это «Байкал» – в нашем сибирском озере и AMANDA – на Южном полюсе. Третий детектор – NESTOR – будет размешен в Средиземном море, неподалеку от Греции.
Нейтрино в небесах могут рождаться, как и обычные космические лучи, при столкновении быстрых частиц. Но могут они возникать в центрах коллапсирующих звезд или центрах галактик, а оттуда никому, кроме них, выбраться не суждено. Поэтому с помощью нейтринных телескопов планируется изучать все возможные источники этих частиц, но все же главная их задача – готовность к чему-то неожиданному. К примеру, их «старшие братья», детекторы гамма- лучей, были построены для слежения за Луной и Солнцем, а увидели новое небо с неизвестными источниками гамма-лучей – горячими нейтронными звездами, квазарами и черными дырами. Оптимисты полагают, что нейтринные телескопы имеют хорошие шансы обнаружить источники суперэнергичных космических лучей, продвинуть поиски холодного темного вещества и понять суть загадочных гамма-вспышек.
Нейтринная астрономия поистине вступает в героическую эпоху. За первыми открытиями следует период кропотливых планомерных исследований. Похоже, что самая неуловимая частичка хранит ключи от многих тайн природы и наступивший век может стать веком нейтринной астрономии.
А теперь – о космических лучах. Оказывается, и с ними не все ясно. Мировой рекорд энергии для частиц вещества держит один протон с энергией четыреста тысяч миллиардов электронвольт, залетевший когда-то в атмосферу Земли. Но из косвенных данных мы знаем, что Землю ежеминутно бомбардируют частицы с энергией в миллионы раз больше. Откуда они берутся и как получают энергию, до сих пор остается загадкой, хотя ученые бьются над этой проблемой полвека.
Космические лучи с энергией больше, чем десять в двадцатой степени электронвольт, были зарегистрированы по вторичным частицам. Такая частица несет в себе энергию, равную энергии теннисного мяча Пита Сампраса при подаче. Скорость ее настолько близка к скорости света, что в собственной системе координат время почти останавливается, и за четверть часа частица пролетает тридцать миллионов световых лет. Энергия таких частиц во много миллиардов раз превышает ту, что удалось достичь на Земле путем колоссальных усилий на самых больших ускорителях. Одна из самых впечатляющих загадок природы – как это удается сделать. Очень хочется узнать секреты такого ускорения. Но сложность в том, что таких частиц невероятно мало – штуки, а для мало-мальски научного их изучения необходимо иметь хотя бы десятка три-четыре событий. Поэтому и строятся все более и более крупные детекторы.