Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

, опубликованной в декабре 1960 года, он предложил «разместить глубоко под землей большой черенковский счетчик, около 15 метров в диаметре». Поскольку такой инструмент обладал бы очень небольшим значением углового разрешения, то он представлял бы собой скорее детектор, а не телескоп – зато его можно было подготовить к работе и получить нужные результаты быстрее, чем прибор, предложенный Марковым.

Оба этих провидца уделяли особое внимание вопросу обнаружения ?-мезонов, или мюонов. Нужно сказать, что они значительно опережали в своих размышлениях других исследователей, поскольку в 1960 году еще не было доказано, что мюонные нейтрино вообще существуют. Они были найдены только через два года командой физиков, в которую входил тот самый Леон Ледерман, который сыграл важную роль в открытии принципа несохранения четности

. Экспериментальный метод, требовавший необычайно мощного для того времени ускорителя, был изобретен Бруно Понтекорво в России раньше, чем эта идея пришла в головы команде Ледермана

, однако советским ученым так и не удалось его реализовать (в отличие от американцев), так что именно Ледерман и его товарищи получили в 1988 году Нобелевскую премию по физике. Несмотря на то что в основе их работы лежали идеи Понтекорво, сам он не вошел в число лауреатов.

Принцип, лежащий в основе концепций Маркова и Грейзена (по сути дела, это третий метод выявления нейтрино), состоит в следующем: когда мюонное нейтрино сталкивается с нуклоном и создает мюон путем обратного бета-распада, то новорожденный мюон будет быстро удаляться от места гибели своего родителя почти в том же направлении, что и нейтрино, – примерно так же, как бильярдный шар после прямого удара шара-битка, – и будет излучать при этом слабое голубое «черенковское излучение». Установив набор оптических детекторов внутри или вокруг определенного носителя по своему выбору, экспериментатор может определить направление мюона и, соответственно, его родителя-нейтрино. По этой причине обе концепции имеют общее название «детекторов Черенкова».

Эта форма излучения названа в честь русского физика Павла Алексеевича Черенкова, получившего за ее открытие в 1958 году часть Нобелевской премии по физике. Излучение возникает каждый раз, когда заряженная частица, например мюон, движется в преломляющей среде быстрее скорости света. Самым распространенным примером излучения выступает жутковатый синий свет, возникающий в бассейновых ядерных реакторах или при погружении в воду отработанных ядерных батарей. В этих случаях свет создается электронами, излучаемыми при бета-распаде многих радиоактивных побочных продуктов уранового реакторного топлива.

Если вы сейчас вспоминаете постулат специальной теории относительности Эйнштейна о том, что ничто не способно перемещаться быстрее скорости света, то не беспокойтесь – в данном случае постулат никак не нарушается. Эйнштейн говорил о скорости света в вакууме. В рефракционной среде, такой как вода, лед, стекло или даже воздух, свет будет двигаться не так быстро, поэтому в таких средах скорость частиц иного рода может оказаться выше, то есть общий закон не нарушается.

Черенковское излучение представляет собой оптический эквивалент звукового удара, который возникает, когда реактивный самолет «преодолевает звуковой барьер», то есть начинает двигаться быстрее скорости звука. Поскольку звук не может догнать самолет, он движется вслед за ним точно так же, как волны, расходящиеся по воде под углом позади скоростного катера. В ситуации с тремя измерениями – как в случае реактивного самолета или ускоряющегося мюона – звуковые или световые волны принимают форму конуса, а не V-образную форму, как волны позади катера. Иными словами, мюон «тащит» за собой конус черенковского излучения. Если бы мюон проходил сквозь проекционный экран, то в этот момент на экране появлялось бы пятно света, которое тут же превращалось бы в крошечный кружок. Затем этот кружок постепенно бы рос и становился менее ярким по мере того, как мюон удалялся бы от экрана.

В сущности, основное различие между концепциями Грейзена и Маркова связано с геометрией. Идея Маркова состояла в том, чтобы поместить трехмерную сетку оптических детекторов в естественный водоем и наблюдать за тем, как мюоны, рожденные нейтрино, будут проходить сквозь нее. Давайте договоримся называть такой тип конструкции марковской или «пудинговой»

, поскольку детекторы в ней расположены внутри так называемой зоны обнаружения.

Идея Грейзена состояла в том, чтобы окружить рукотворную емкость с водой оболочкой из детекторов, и в этом случае детекторы будут очевидным образом располагаться за пределами зоны обнаружения. Такой тип конструкции мы назовем «конструкцией Грейзена» или «оболочковой» конструкцией. В обоих случаях, чем больше зона обнаружения у детектора, тем более чувствительным он будет, поскольку повышается вероятность того, что сквозь него пройдет нейтрино или рожденный последним мюон.

Давайте сейчас перенесемся на несколько десятилетий вперед и представим себе конус черенковского излучения, тянущийся за мюоном в то время, как тот проходит сквозь IceCube. Конус – это трехмерный вариант волн от лодки, плывущей по поверхности тихого озера. Трехмерная сетка оптических детекторов, которую ученые помещают внутрь льда, по своей сути аналогична двухмерной сетке из поплавков, плавающих на поверхности озера. По мере того как лодка будет проходить мимо поплавков, они начнут колебаться вверх и вниз. Если вам известна скорость волн, то с помощью простых алгебраических и геометрических построений вы можете определить скорость и направление движения лодки – для этого достаточно знать время, в которое волны ударяются о тот или иной поплавок. Точно таким же образом ученые, работающие с IceCube, восстанавливают направление и скорость невидимого мюона, проходящего сквозь трехмерный детектор. Фрэнсис Халзен объясняет это так:

Представьте себе, что вы летите над озером на самолете. Возможно, вы и не увидите саму лодку, но волны скажут вам, где она находится и куда направляется.

Причина, по которой Марков и Грейзен сосредоточились на мюонах, а не на электронах, заключалась в том, что они понимали, какую частицу проще выявить. Дело в том, что мюон обладает достаточной массой и, соответственно, импульсом для движения по прямой практически в любой среде; электрон, масса которого в 200 раз меньше, будет отклоняться под воздействием электрических полей расположенных неподалеку ядер и начинает колебаться на расстоянии нескольких метров от места своего рождения. С каждым колебанием электрон создает так называемое тормозное излучение: фотоны, которые, в свою очередь, при наличии достаточной энергии создадут пары электрон-позитрон. Эти вторичные пары также начнут колебаться и создавать еще больше тормозного излучения, будут появляться все новые пары и так далее. В результате (в конкретном случае IceCube) возникнет так называемый каскад

: короткая сигарообразная вспышка света, пропорциональная по своему объему энергии электронного нейтрино, создавшего ее, и указывающая в направлении, в котором двигалось это нейтрино.

Помимо того что длинный и прямой след мюона увидеть намного проще, чем каскад, представляется возможным более точно определить его направление. Соответственно, мы получаем более точное направление движения его родительской частицы – нейтрино. След мюона более полезен для целей астрономии, поскольку он позволяет лучше понять, от какого космического объекта летело нейтрино. Высокоэнергетические мюоны (порожденные высокоэнергетическими нейтрино) имеют и еще одно преимущество – перед своим распадом они могут пролететь несколько километров сквозь лед или камень. Именно это имели в виду Марков и Железных, говоря о «подушке»: «пудинговая» конструкция позволяет выявить мюон, даже если он зародился на большом расстоянии от сетки детектора. Помните, что мы ищем мюоны, направленные вверх, то есть те, что были созданы нейтрино где-то к северу от Южного полюса. IceCube может выявить мюон, рожденный во льду или на материковом грунте снизу или сбоку от устройства, поскольку рано или поздно путь мюона будет заметен внутри сетки приборов. Это увеличивает рабочий объем детектора и в целом делает данный тип инструмента более чувствительным именно к мюонным, а не электронным нейтрино.

Детектор нейтрино должен располагаться глубоко под землей (или под водой или льдом), поскольку эти среды экранируют детектор от падающих на Землю космических лучей. Первичные космические лучи, летящие к нашей планете и состоящие в основном из протонов и других заряженных ядер, сталкиваются с ядрами азота, кислорода и других элементов в верхних слоях атмосферы, создавая потоки направленных вниз пионов и других «вторичных» космических лучей. Те в свою очередь распадаются на другие частицы (например мюоны) или сами сталкиваются с атмосферой и создают так называемые воздушные потоки. Все это служит хорошим примером сходства между космическими ускорителями и их рукотворными аналогами.

Два направленных вверх мюонных нейтрино (??), выявленных марковским инструментом или «пудинговой» конструкцией. Нейтрино слева взаимодействует с нуклоном ниже инструмента, создавая мюон (?), который проходит сквозь детектор вместе с конусом черенковского света. Нейтрино справа вступает во взаимодействие внутри детектора. Следы мюонов определяют направление соответствующих нейтрино.

Принцип, лежащий в основе работы всех ускорителей, предполагает использование мощных электромагнитных полей для ускорения пучков заряженных частиц до высоких энергий, после чего эти пучки сталкиваются с мишенями, или «поглотителями пучка». В случае рукотворного ускорителя это может быть слой углерода, а для космических лучей поглотителем выступает атмосфера Земли. Первичные космические лучи, протоны и ядра, получившие ускорение вследствие какого-то космического катаклизма, вылетают в межзвездное пространство, а затем направляются межзвездными электромагнитными полями по сложной траектории в сторону в том числе и нашей планеты. Они сталкиваются с поглотителем пучка в земной атмосфере и создают вторичные частицы, точно так же как это делает пучок в созданном человеком ускорителе.

Как возникает редкая или новая частица в ускорителе? Все начинается с довольно простого появления заряженной частицы, например протона; затем он ускоряется либо по прямолинейной, либо по круговой траектории за счет воздействия сконцентрированных электромагнитных полей; после этого он попадает в поглотитель пучка, а ученые с помощью специальных детекторов изучают возникающие в результате этого осколки и обломки. В некоторых конструкциях два пучка направлены друг на друга (Ричард Фейнман говорил, что это то же самое, что колотить друг о друга парой швейцарских часов, чтобы понять, что у них внутри).

Стандартная единица энергии в физике частиц – это электрон-вольт (эВ), то есть кинетическая энергия, приобретаемая электроном при разности потенциалов в 1 вольт. По нашим привычным меркам это почти ничто – 100-ваттная лампочка каждую секунду испускает почти 10

(один миллиард триллионов) электрон-вольт, – однако этот показатель отлично подходит для описания масс элементарных частиц. К примеру, электрон обладает так называемой массой покоя (то есть энергией массы без учета энергии движения), равной примерно 510 эВ. А поскольку Эйнштейн показал, что масса и энергия эквивалентны, то для того, чтобы создать больше массивных частиц в результате удара потока о поглотитель, нам нужен более мощный пучок энергии. Добиться нужного результата можно либо за счет увеличения размеров ускорителя (что позволяет ускорять пучок на более длинном расстоянии), либо за счет использования более сильных электромагнитных полей.

Нынешний рекордсмен – находящийся в ЦЕРН Большой адронный коллайдер (БАК) стоимостью в 10 млрд долл., с помощью которого в 2012-м был открыт бозон Хиггса. Внутри БАК встречные пучки протонов или тяжелых ионов свинца летят навстречу друг другу по кольцевому туннелю длиной 27 километров, а затем сталкиваются в заранее намеченных точках, создавая энергию (в случае протона) на уровне 14 триллионов электрон-вольт.

Поскольку космические ускорители не ограничены бюджетами на проведение международных научных исследований и соображениями, связанными с недвижимостью, а масштабы их деятельности определяются совсем другими параметрами, такими как размеры Земли или даже Солнечной системы, они создают энергию намного больше той, которую когда-либо смогут создать люди. На данный момент рекорд принадлежит так называемой частице Oh-My-God («О боже мой!»)

, впервые выявленной в 1991 году детектором под названием «Глаз мухи» в пустыне штата Юта (кстати, этот инструмент изобрел Кеннет Грейзен). Эта единственная субъядерная частица была способна нанести удар такой же силы, что и бейсбольный мяч, летящий со скоростью 100 км в час, что в 300 000 раз превышает возможности БАК. Она могла представлять собой протон, тяжелый ион или даже нейтрино

; однако точно это узнать невозможно, поскольку частица погибла при столкновении с атмосферой, дав рождение потоку из примерно 200 миллиардов вторичных частиц и продуктов распада

.

Полтора километра льда над IceCube служат щитом от направленных вниз космических лучей; тем не менее некоторым из них все равно удается пробиться достаточно глубоко и достичь массива датчиков. На каждый интересный для ученых мюон, родившийся из устремленного вверх нейтрино, приходится около миллиона атмосферных мюонов, попадающих на детектор сверху. Одна из основных проблем этой технологии – разделение следов мюонов, направленных вверх и вниз. Как вы понимаете, выбирать направленные вверх иголки из направленного вниз стога сена – дело непростое.

Оболочковая конструкция Грейзена обычно представляет собой большую емкость, наполненную чистой и прозрачной жидкостью (как правило, водой) и полностью окруженную стенками из оптических детекторов, расположенных впритык друг к другу. Конструкция размещается на глубине более полутора километров, например в шахте. Предполагается, что детекторы должны выявлять лишь те мюоны, которые зарождаются внутри емкости, и для помощи этому Грейзен предложил, чтобы первичный детектор «был заключен в оболочку из сцинтиллирующего материала, что позволит различать явления, связанные с нейтрино, и явления, вызываемые мюонами». Иными словами, в конструкции имеется две оболочки: внутренняя, состоящая из первичных оптических детекторов, и внешняя, состоящая из сцинтилляторов и использующаяся для исключения или «вето» атмосферных и других мюонов, рожденных за пределами детектора. Поскольку эти частицы будут проходить сквозь инструмент, они активизируют сцинтилляторы при входе и выходе, в то время как мюоны, рожденные внутри емкости, будут создавать сигнал только на выходе.

Любой мюон, родившийся в емкости (или проходящий сквозь нее), активирует при выходе кольцо первичных детекторов на внешних стенках: сначала один детектор, а потом и другие, расположенные по кругу рядом с ним. Направление движения мюона может быть определено по форме возникающего кольца: если мюон проходит через детекторы под углом, то форма будет ближе к овальной, а не круглой.

Разрешение оболочковой конструкции ограничено 20–30 градусами— этого достаточно лишь для того, чтобы отличить левое направление от правого и движение вверх от движения вниз; а пудинговая конструкция (используемая в IceCube) способна работать с точностью до половины градуса, что примерно равно величине углового расхождения лучей при полнолунии. Джон Лёрнд, возглавивший через 20 лет проект DUMAND – первую попытку превратить эти мечты в реальность, отмечает, что

Грейзен так никогда и ничего не сделал в этом направлении. А Рейнес со своей командой с самого начала перехватил инициативу и начал активно работать с идеей в Штатах.

В своей обзорной статье, написанной в 1960 году, Рейнес обсуждал вопросы выявления «нейтрино, возникших за пределами Земли (космических) и в земной атмосфере (из-за воздействия космических лучей)»

. Однако он был более консервативен, чем Грейзен и Марков. Возможно, это было связано с последствиями его прежней неудачной попытки выявить рукотворные нейтрино: он предпочел проигнорировать первый вариант, а второй назвал «наиболее серьезным». Тем не менее он начал уже в 1963 году посещать шахты в поисках места для размещения инструмента Грейзена и задумывался об использовании инструмента Маркова в океанских водах как минимум с 1966 года

.

Мюонные нейтрино (??), проходящие сквозь инструмент Грейзена или оболочковую конструкцию. Верхнее нейтрино, входящее слева, вступает во взаимодействие внутри детектора, поэтому световой конус от возникающего в результате мюона (?) активизирует детекторы только на выходе. Нижнее нейтрино, входящее справа, вступает во взаимодействие за пределами детектора и создает мюон, который активизирует детекторы при входе и выходе. Таким образом, оболочка из детекторов «вето» помогает исключить из изучения мюоны, рожденные за пределами детектора.

По всей видимости, Рейнес пришел к заключению, что выявление нейтрино по методу Черенкова – дело слишком отдаленного будущего. При этом он прекратил попытки выявления атмосферных (или, по его словам, «создаваемых космическими лучами») нейтрино с помощью какого-то иного метода. Это был большой шаг – первая попытка выявить нейтрино, созданные природой, а не реактором или бомбой.

Атмосферные нейтрино возникают таким же образом, что и атмосферные мюоны, – путем распада вторичных частиц (в том числе мюонов), рожденных при столкновении первичных космических лучей с атмосферой. Ниже мы увидим, что эти нейтрино полезны для некоторых областей физики элементарных частиц, однако никак не связаны с астрономией, поскольку место их рождения находится слишком близко к Земле.

В какой-то момент 1963 года Рейнес узнал об одной докторской диссертации, защита которой прошла в Бомбейском (ныне Мумбайском) университете. В ней выдвигалось предположение о том, что некоторые шахты в индийском золотодобывающем регионе Колар могут быть достаточно глубокими для того, чтобы обеспечить защиту от атмосферных мюонов и возможность выявления атмосферных нейтрино. Рейнес познакомился с индийскими учеными – авторами идеи и даже посетил шахты, о которых шла речь, однако затем все же предпочел самую глубокую шахту в мире – южноафриканскую Ист-Рэнд, расположенную недалеко от Йоханнесбурга. К тому времени он уже покинул Лос-Аламос и возглавил кафедру физики в Технологическом институте Кейс (ныне Университет Кейс-Вестерн-Резерв) в Кливленде, штат Огайо.

В сотрудничестве с группой из Университета Витватерсранда (Йоханнесбург) Рейнес установил крупнейший на то время детектор частиц с 20 тоннами жидкого сцинтиллятора в лаборатории, расположенной в трех километрах под землей. Местные горняки тут же наградили ученых прозвищем goggafangers («ловцы жуков») а самого Рейнеса стали величать makulu bass goggafanger – «большой человек, начальник ловцов»

.

Идея состояла в том, чтобы выявить мюоны, двигающиеся в горизонтальном направлении через две параллельные стенки сцинтилляторов. Поскольку расстояние между детектором и поверхностью Земли в горизонтальном направлении значительно превышало 3 км, то любой мюон, создаваемый в атмосфере, должен был распасться еще до того, как доберется до детектора. Соответственно, мюоны, которые все же смогут активизировать детекторы, должны были возникнуть из нейтрино в ходе процесса, возникающего где-то в земле между детектором и поверхностью.

К тому времени у Рейнеса появились прямые конкуренты. Группа индийских ученых, которую возглавлял Мамбилликалатил Говинд Кумар Менон и идеи которой Рейнес использовал, установила свой собственный детектор в одной из золотых шахт Колара. Группа Рейнеса обнаружила первый нейтрино естественного происхождения 23 февраля 1965 года (эта дата встречается во многих источниках на тему нейтринной астрономии), а индийцы – примерно через месяц. Однако формальные лавры первооткрывателя получила именно группа Менона, поскольку ей удалось опубликовать свои результаты примерно за две недели до того, как это сделал Рейнес

(в данном случае факт публикации очень важен, поскольку предполагает, что ученые проделали тщательный анализ результатов и смогли справиться со всеми неопределенностями и потенциальными ошибками интерпретации). Разумеется, не обошлось без споров (порой кажется, что Рейнес просто притягивает к себе скандалы), однако все участники вынесли из случившегося свои уроки

.

И если оставить в стороне разные мелкие вопросы, нейтрино вновь продемонстрировало свою застенчивость: группа из университета Кейс зарегистрировала за шесть лет наблюдений всего 167 атмосферных нейтрино

.

* * *

Тем временем семена, посаженные Марковым и Грейзеном, попали в плодородную почву. По всему миру, особенно в США и СССР, ученые-одиночки принялись ездить на далекие озера, погружать в воду короткие нити оптических детекторов и охотиться на мюоны. Одним из таких ученых был молодой Джон Лёрнд, аспирант из Вашингтонского университета.

Джон родился в 1940 году в Платтсбурге, на краю огромного национального парка Адирондак, занимающего значительную долю северной части штата Нью-Йорк. Его дед и бабка жили там в фамильном доме, принадлежавшем семье уже около 150 лет. Когда Джону было шесть лет, его отец-журналист перевез семью на Статен-Айленд, в Нью-Йорк, однако Джон и его брат не забывали о своих сельских корнях, по-прежнему проводя все лето «без особого присмотра» на севере штата: