Как ловят нейтрино на дне Байкала

Пока вы читаете эти строки, сквозь вас "пролетают" миллиарды нейтрино. Некоторые из них родились в недрах Солнца, другие образовались в атмосфере, третьи проделали невероятный путь из самых отдаленных уголков Вселенной. Разумеется, вы ничего не заметили, как и сами загадочные частицы. Ведь для нейтрино не существует преград. У них нет электрического заряда, а их масса невероятно мала. Поэтому нейтрино без всяких видимых последствий пронзают все на своем пути: человеческие тела, звезды и планеты. Почти сто лет назад существование нейтрино казалось невозможным. А сегодня крупные нейтринные обсерватории объединяются в единую сеть, чтобы разгадать загадки неуловимой частицы. Как физики ХХ века спасали законы сохранения энергии и импульса? Почему нейтринные обсерватории строят во льдах Антарктиды, на дне Байкала и в Средиземном море? Рассказывает Дмитрий Наумов.

— Нейтрино называют самой загадочной частицей. Почему?

— Нейтрино появилось буквально на кончике пера. Эту частицу придумал австрийский теоретик Вольфганг Паули еще в 1930 году в отчаянной попытке спасти законы сохранения энергии и импульса. Напомню, что не все атомные ядра стабильны. Некоторые распадаются. Известны три вида радиоактивных распадов — альфа, бета и гамма. Сегодня мы понимаем, что они вызваны тремя фундаментальными взаимодействиями —  электромагнитным, слабым и сильным соответственно. В бета-распадах ядро меняет заряд, при этом рождается электрон или позитрон. С точки зрения закона сохранения энергии и импульса, энергия и импульс начального распада должны в точности равняться сумме энергий и импульсов всех продуктов распада. Однако в экспериментах с бета-распадами было обнаружено (кстати далеко не сразу это признали), что это не так. У электронов были почти любые энергии между нулем и некоторой максимальной величиной. При этом, в случае электромагнитного и сильного взаимодействия законы сохранения энергии и импульса точно выполнялись. А в бета-распадах возникала такая странная проблема.

Это стало настоящей проблемой для физиков, решение которой растянулось не на одно десятилетие. Выдающийся ученый Нильс Бор даже предложил отказаться от законов сохранения на некотором уровне описания природы. Вольфгангу Паули эта мысль показалась совсем уж дикой. И очень хорошо! Он выдвинул идею, что в процессе деления ядра появляется и улетает еще одна частица. Она электрически нейтральна, поэтому электромагнитные приборы попросту не могут ее зафиксировать. Кроме того, она должна была очень слабо взаимодействовать, иначе все равно застряла бы в наших детекторах, и ее следы были бы найдены. Сегодня эта мысль кажется простой и понятной, но в 30-е годы ХХ века она была поистине революционной. 

Сам Паули понимал, что идея подвергнется критике, и считал, что существование такой частицы никто не сможет подтвердить. Он даже не осмелился изложить свою идею на конференции вслух. Ученый написал ее участникам знаменитое сегодня письмо, начинающееся словами “Дорогие радиоактивные дамы и господа!” В письме была изложена его гипотеза и приведены извинения, что сам он участвовать в работе  конференции не может, т.к. должен быть на балу в Цюрихе. 

Изначально, Паули назвал свою неуловимую частицу нейтроном. Сегодня мы знаем, что нейтрон — это достаточно тяжелая частица, которая участвует в сильном взаимодействии, т.е. совершенно не подходит под описание. Дело в том, что на момент написания письма нейтрон еще не открыли. Только в 1932 году британец Джеймс Чедвик смог обнаружить нейтрон, чье существование предсказали советский физик Дмитрий Иваненко и немец Вернер Гейзенберг. Да и сам Чедвик твердо верил в то, что в ядре есть и что-то еще кроме протонов. Слово нейтрино (по-итальянски «маленький нейтрон») предложил итальянский физик Энрико Ферми, который создал первую количественную теорию бета-распада. В ней ученый описал взаимодействие четырех частиц: протона, нейтрона, электрона и нейтрино. 

С этого момента теоретики стали активно исследовать нейтрино, определяя вероятность его взаимодействия. Оказалось, что взаимодействует эта частица так слабо, что зарегистрировать ее почти невозможно. Например, чтобы поймать половину всех нейтрино, излучаемых Солнцем, надо залить свинцом все пространство от нас до Альфа-Центавра. Поэтому, физики долгое время считали нейтрино частицей-призраком. Многие соглашались с тем, что она существует, но не знали, как с ней работать. 

— По причине того, что она мало с чем взаимодействует.

— Точно.

— Паули даже поспорил на шампанское, что частицу никогда не откроют.

— Да.

— Но в итоге ошибся.

— На самом деле, это было очень продуманное пари. Посудите сами: если он его проигрывает (сейчас-то мы знаем, что он проиграл), его имя навсегда вписывается в историю физики, поэтому стоимость ящика шампанского — мелочь, по сравнению с таким достижением. При этом, если бы он выиграл, то получил бы бесплатно шампанское. То есть при любом исходе он оказывался в выигрыше. Кстати сказать, когда Паули получил телеграмму от будущего лауреата Нобелевской премии Фредерика Райнеса и Клайда Коуэна (который, к сожалению, не дожил до премии), он тут же собрал всех друзей теоретиков, и они это шампанское распили, а экспериментаторам ничего и не досталось. 

— Нобелевская премия досталась.

— Да, но к сожалению, не всем. Совет всем читателям: надо быть не только умным, но еще и здоровым, чтобы дожить до своей Нобелевской премии. 

— Поучительная история. Что известно о сортах нейтрино сегодня? Почему физики называют их ароматами?

— Надо сказать, что физики — часто люди с юмором, они любят давать какие-нибудь интересные и забавные названия. Поэтому у нейтрино есть ароматы, которые, конечно, никакого отношения к запаху не имеют. А у кварков есть цвета, не имеющие никакого отношения к цветам. 

Вернемся к сортам нейтрино. На сегодняшний день выделяют три сорта или аромата нейтрино. Откуда взялись ароматы? Начну с того, что существуют три заряженных лептона — электрон, мюон и тау-лептон. Они взаимодействуют очень похожим образом, только мюон тяжелее электрона почти в 200 раз, а тау-лептон тяжелее мюона почти в 17 раз. Как оказалось, нейтрино тоже существует три разных вида. В слабых взаимодействиях нейтрино всегда рождается вместе с каким-то заряженным лептоном того же сорта или аромата, если говорить по-научному. Например, вместе с электроном рождается электронное анти-нейтрино, с мюоном — мюонное, с тау-лептоном — тау-нейтрино. То, что этих ароматов ровно три было надежно установлено экспериментально из анализа вероятности распада другой частицы под названием Z-бозон — нейтральной частицы и одного из переносчиков слабого взаимодействия. Z-бозон нестабилен и примерно в 90 раз тяжелее протона. Z-бозон распадается на множество разных частиц, в том числе на пару нейтрино и антинейтрино. Соответствующая вероятность легко оценивается в теории. Понятно, что трем типам или ароматам нейтрино суммарно отвечает в три раза большая вероятность распада Z-бозона на пару нейтрино-антинейтрино. Поэтому, сравнение с экспериментом позволило установить, что число типов нейтрино равно трем.

— А как же стерильные нейтрино?

— Приятно, что вы так прекрасно подготовились к нашему разговору! Действительно, начиная с 2012 года, физики столкнулись с новой загадкой. Известно, что антинейтрино в изобилии рождаются в ядерных реакторах. Оказалось, что при измерениях обнаруживается дефицит, который невозможно объяснить осцилляциями нейтрино — важнейшим эффектом, предсказанным Бруно Понтекорво, работавшим в Дубне, и за подтверждение которого Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию по физике в 2015 году. Реакторный дефицит невозможно объяснить осцилляциями трех нейтрино. А можно ли четырех? Если бы нейтрино было четыре типа, то можно. Но Z-бозон надежно установил, что типов нейтрино ровно три, а не четыре! Что же делать? Тогда возникла очень хитрая гипотеза, что кроме трех перечисленных поколений нейтрино существует еще одно  — ​стерильное нейтрино. Если известные нам нейтрино взаимодействуют слабо, то стерильное не взаимодействует вообще! Поэтому, стерильные нейтрино не противоречат наблюдаемой вероятности распада Z-бозона. При этом, в процессе осцилляций известных нам нейтрино часть времени они проводят в стерильном состоянии. Если в этом состоянии они попадают в детектор, то будет наблюдаться дефицит взаимодействий нейтрино. Весьма оригинальная идея! И у нее довольно глубокие следствия. В частности, такие нейтрино могли бы проявляться в космологии. Но на сегодняшний день эта гипотеза не очень-то согласуется с экспериментом. Несмотря на то, что идея красивая, возможно, что в природе она не реализуется. По крайней мере, таким образом. 

— Тогда откуда дефицит?

— Скорее всего, использовалась не совсем правильная ядерная модель, предсказывающая потоки нейтрино. Это не очень-то простая задача, и нейтрино в реакторе рождается сотнями и даже тысячами всевозможных способов. 

— Как устроены нейтринные обсерватории. Как можно уловить неуловимое?

— Чтобы уловить неуловимое, необходимо произвести что-то, что уже можно уловить. Само по себе нейтрино увидеть невозможно. Поэтому нужны другие частицы, которые оставят электрические сигналы в детекторе. Проще говоря, нейтрино прилетает в детектор и рождает частицу, которую можно зарегистрировать. Это могут быть мюоны, протоны и другие заряженные или нейтральные частицы. 

Если говорить про астрофизические нейтрино, для анализа которых и создан эксперимент Baikal-GVD, то частицы, которые рождаются после взаимодействия с астрофизическим нейтрино, светят черенковским светом. Этот черенковский свет можно увидеть при помощи фотоумножителей.

— То есть самого нейтрино мы увидеть никак не можем. Скорее, остаточные явления.

— Да.

— А почему многие нейтринные обсерватории строятся либо глубоко под землей, либо под водой? 

— Само сочетание "нейтринный телескоп" уже звучит достаточно забавно. Давайте разбираться. Чтобы зарегистрировать нейтрино, нужен большой объем вещества. Потоки нейтрино сверхвысоких энергий, которые рождаются в далеком космосе, теряют свою интенсивность с ростом расстояния до их источника. Значит число  взаимодействий нейтрино на Земле тоже уменьшается. В лабораторных условиях обеспечить настолько большой объем вещества проблематично. Но у нас есть отличная возможность использовать естественные водоемы — моря, океаны, озера или лед, как на Южном полюсе. Для регистрации астрофизических нейтрино нужно использовать примерно 1 кубический километр вещества или 1 миллиард тонн. 

Нейтрино прилетает в байкальскую воду, взаимодействует с веществом, рождая мюон, электрон или тау-лептон, в зависимости от аромата нейтрино. Частица движется по прямой траектории, заданной направлением прилета нейтрино. Если частица имеет ненулевой электрический заряд и движется быстрее света в этой среде, то возникает голубоватое свечение, открытое в середине прошлого века Сергеем Ивановичем Вавиловым и Павлом Алексеевичем Черенковым. Фотоумножители как раз и регистрируют это свечение. 

Но и здесь не всё так просто. К нам из космоса прилетает множество космических лучей — элементарных частиц и ядер атомов, движущихся с высокими энергиями в космическом пространстве. Сталкиваясь с земной атмосферой, они порождают «зоопарк» частиц, среди которых могут быть и мюоны. Тем самым детектор может зарегистрировать не только мюоны от нейтрино, но и те, что появились в атмосфере. Именно поэтому детекторы помещаются как можно глубже под воду, чтобы интенсивность атмосферных мюонов была меньше. 

— А есть ли еще способы, как можно увидеть нейтрино? 

— Да, есть и другие способы регистрации нейтрино. Первый связан с реакторными антинейтрино. Любой реактор испускает большое количество антинейтрино: каждую секунду на 1 гигаватт термальной мощности реактора излучается примерно 10²⁰ антинейтрино. При этом, у каждого реактора средняя мощность порядка 3-х гигаватт. Чтобы зарегистрировать данные типы нейтрино, можно использовать сцинтилляционные детекторы.

Сцинтилляторы — это особые вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения. Возбуждение происходит за счет ионизации, а не за счет механического воздействия. При этом, высвечивание света происходит быстро, в форме почти мгновенной для глаза вспышки. Интересно, что обычно сцинтиллятор светится в диапазоне длин волн, в которых фотоумножители не чувствительны. Поэтому в сцинтиллятор добавляются специальные химические примеси, которые смещают спектр излучения в область чувствительности фотоумножителей. К примеру, Объединенный институт ядерных исследований принимает активное участие в коллаборации JUNO. Экспериментальный зал установки JUNO будет располагаться в 700 метрах под землей. Детектор, наполненный 20 тысячами тонн жидкого сцинтиллятора, будет просматриваться 20 тысячами больших фотоумножителей (диаметром около полуметра) и еще 20 тысячами маленьких (диаметром чуть больше 7.5 см) для обнаружения сцинтилляционного света, который образуется при столкновении нейтрино с атомами водорода. По размерам установка сопоставима с 14-этажным (только сферическим) домом.

Второй способ регистрации связан с так называемыми солнечными нейтрино. Нейтрино рождаются в центре Солнца в ходе термоядерного синтеза. Солнечный нейтринный поток напрямую связан с мощностью Солнца, а значит, его можно вычислить теоретически. Теоретики вычислили, экспериментаторы измерили, но результаты расходились почти в три раза. Последующие эксперименты подтвердили это расхождение. Так возникла загадка солнечных нейтрино. Решение загадки дал эксперимент SNO. В нем использовалась так называемая тяжелая вода, содержащая дейтерий. Это позволило регистрировать как общий поток всех ароматов солнечных нейтрино, так и отдельно компоненту электронных нейтрино. 

 — Поговорим подробнее о Байкальском нейтринном телескопе. Каковы его ключевые задачи?

— Сама идея регистрации нейтрино в естественных водоемах принадлежит советскому физику Моисею Александровичу Маркову. Вместе с академиком Александром Евгеньевичем Чудаковым он предложил тогда еще молодому физику Григорию Владимировичу Домогацкому подумать над созданием детектора на Байкале. После этого в Институте ядерных исследований РАН появилась лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий, с которой началась история Байкальского нейтринного телескопа. 

Домогацкий, Чудаков и Марков были пионерами. И первое время много сил и энергии уходило не на нейтрино как таковое, а на более простые вещи: изучение свойств байкальской воды, подбор и создание глубоководных разъемов, машин для резки льда, прокладывания кабеля, создание сфер для фотоумножителей и так далее. Миллион всяких трудностей, с которыми научное сообщество в их лице столкнулось впервые. 

Но все проблемы были решены, в том числе благодаря характеру Григория Владимировича, которого все знают, как методичного, спокойного, настойчивого человека. И начиная с 90-х годов началась постепенная установка приборов на Байкале. А спустя несколько лет были получены пионерские экспериментальные результаты. 

В это же время американские физики строили детектор на Южном полюсе. Поистине, героический труд, поскольку строить такой детектор во льду гораздо сложнее и дороже, как минимум раз в двадцать. 

Другой эксперимент строили европейцы в Средиземном море — ANTARES, в рамках которого ученые развивали технологию детектирования в морских условиях. 

Эти три проекта и задавали уровень исследований в мире и, конечно, конкурировали друг с другом. 

К началу 2000-х годов американские коллеги серьезно вырвались вперед, и стало ясно, что байкальский эксперимент безнадежно отстал. Вслед за первой установкой ученые из США начали строительство нового телескопа кубокилометрового масштаба — IceCube, который принес важнейшее открытие: астрофизические нейтрино, которые все искали, наконец, были зарегистрированы. Это стало революцией и рождением новой науки — нейтринной астрономии.

Между тем, телескоп во льду менее точен в определении направления нейтрино. Тогда участники байкальской коллаборации предложили создать новую версию Байкальского нейтринного телескопа размером в 1 кубический километр, используя важнейшие свойства байкальской воды. 

Дело в том, что в байкальской воде свет почти не рассеивается. А это значит, что установка обеспечит высокую точность восстановления направления нейтрино. И с 2014 года началась активная работа по строительству нового телескопа на Байкале. Уже в 2015-2016 годах был введен первый кластер под названием “Дубна”. 

Среди главных задач телескопа: зарегистрировать нейтрино сверхвысоких энергий — в миллиард раз больше, чем энергии, которые рождаются в Солнце. Научное сообщество сейчас активно ищет механизм, который приводит к рождению нейтрино таких огромных энергий. Согласно одной из гипотез, ответ нужно искать в галактиках, а точнее в их центрах, где расположены гигантские черные дыры.  

Сверхмассивные черные дыры находятся в центре практически всех спиральных галактик. Масса таких черных дыр в миллионы или даже в миллиарды раз превосходит массу Солнца. Когда такая черная дыра поглощает вещество из звезд вокруг, то формируется аккреционный диск из вещества, которое затем постепенно поглощается дырой. Некоторые из черных дыр, после поглощения звезды, помимо образования диска, выпускают в космос релятивистские струи или джеты, которые могут распространяться в космическое пространство на несколько миллионов световых лет. По сути, джеты — это естественные ускорители частиц. Возможно, именно здесь рождаются нейтрино сверхвысоких энергий. 

— Станет ли Байкальский нейтринный телескоп частью мировой системы?

— Конечно, да. Каждый телескоп по отдельности решает свои задачи, но вместе они могут дать гораздо больше. К тому же каждый из них располагается в разных частях света, что позволяет объединять телескопы для триангуляции — единый инструмент для определения направлений. 

— Все это напоминает поиск бозона Хиггса, когда все научное сообщество пыталось отыскать эту частицу. И в итоге ее обнаружили. Когда мы все-таки сможем разгадать все загадки самой загадочной частицы — нейтрино?

— Исследования активно ведутся. Уверен, что с теми нейтринными телескопами, которые существуют сегодня, задачи будут решены в ближайшие 5-7 лет. 

Мы не надеемся на удачу. Научное сообщество точно знает, что необходимо сделать и за какой промежуток времени, чтобы получить однозначный ответ. Думаю, что концу 2020-х годов большинство загадок нейтрино будет уже решено. Что не исключает, конечно, что появятся новые вопросы, о которых мы даже не догадываемся.