Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

В качестве импровизированного зала заседаний группа CCFMR использовала один мэдисонский бар под названием «Клуб 602», стены которого, по словам Джона Лёрнда, «были выкрашены в цвет желчи с зеленоватым оттенком». Боб Марч вершил там свой суд почти каждый день после полудня. Клайн вспоминал:

Это был странный клуб, но я считаю его одним из самых моих любимых… Мэдисон был одним из самых интересных и свободных городов в мире, а «Клуб 602» был для нас местом, куда можно пойти всегда… Там можно было встретить немало безумцев.

«Будущий канцлер (ректор университета) Джон Уайли пил тогда очень много пива, – добавляет Боб Морс, – за исключением воскресных вечеров, когда клуб был закрыт и нам приходилось перемещаться в Glen and Anne…» Уайли, друг и коллега Морса по аспирантуре, через несколько десятилетий сыграл огромную роль в проектах AMANDA и IceCube. Боб вспоминает:

В «602» можно было отлично выпить. За 25 центов вы получали пинту пива, и у них не было этого чертового музыкального автомата. А это значило, что вы могли не перекрикивать отвратительную музыку, а разговаривать. Туда приходили люди и с кафедры искусств, и с кафедры философии… Там пересекались друг с другом типы, максимально непохожие друг на друга по всем параметрам, но все мы отлично уживались.

* * *

Фрэнсис Халзен оказался в этой среде в период своего профессионального расцвета, в 1971 году. И совсем не случайно, что его пригласили на работу в Мэдисон именно в баре. Впрочем, этот бар очень отличался от «Клуба 602». Он располагался в гостинице курортного города Мерибель во Французских Альпах.

В том году Халзен посетил – приехав ближе к окончанию – так называемое Rencontres de Moriond, престижное собрание физиков, изучавших частицы. Это собрание, вход на которое возможен только по приглашению, обычно проходит на каком-нибудь из французских горнолыжных курортов. В его названии вполне осознанно используется слово rencontres – «встречи», а не «конференции», поскольку цель состоит в создании уютной атмосферы «в красивых и вдохновляющих местах», атмосферы, которая стимулировала бы творческий обмен новыми идеями. Встречи в таком формате проходят до сих пор, однако теперь они стали более регулярными и менее закрытыми, чем в прежние дни. Раньше участники делали перерывы, чтобы покататься на лыжах днем, а по ночам играли друг другу музыку. Отвечать на телефонные звонки считалось плохим тоном. Все основные беседы происходили в баре гостиницы в Мерибеле. За барной стойкой висела грифельная доска со списком спикеров.

В то время Фрэнсис Халзен был восходящей звездой в теоретической физике частиц. Через несколько дней после этой встречи ему исполнилось 27 лет. Он завершал двухлетнюю стажировку в группе теоретиков в ЦЕРН, а дома, в Бельгии, его ждала постоянная работа в университете города Левен. Его пригласили выступить на встрече и рассказать о статье, которую он написал в соавторстве с другим теоретиком, своим ровесником, который не так давно сменил место постдокторанта в Мэдисоне на работу в ЦЕРН

. Фрэнсис был уверен, что эта статья «позволит ему получить место где угодно», и действительно – к тому моменту им уже заинтересовались в Калифорнийском технологическом институте. Халзен вспоминал, как во время выступления посмотрел в аудиторию и увидел, как один итальянский физик прихлебывает коньяк.

Фрэнсис приехал на эту встречу на машине из Бельгии, на юг через Женеву, вместе со своей женой Нелли, и они планировали пуститься в обратный путь сразу же, как только закончится его выступление. Нелли ждала его снаружи в спортивном автомобиле MGB «уродского хиппового желто-оранжевого цвета» (в качестве оправдания Фрэнсис объяснил, что у него не было особого выбора и что пришлось купить первую попавшуюся модель). На эту машину Фрэнсис потратил часть денежной премии, полученной на конкурсе докторских диссертаций в Левене двумя годами ранее.

На выходе из гостиницы ему сказали, что кое-кто хочет с ним поговорить. Это должно быть что-то очень важное и очень быстрое, ответил Халзен, потому его жена ждет в машине. Оказалось, что с ним хочет пообщаться Вернон Баргер, теоретик и научный руководитель соавтора Фрэнсиса, написавшего с ним ту самую работу в Мэдисоне. Баргер объяснил, что пока не может предложить Фрэнсису работу, однако может найти способ оплатить пребывание Фрэнсиса в ЦЕРН в течение примерно шести месяцев. Фрэнсис вспоминает:

В то время я был отчасти дилетантом – и возможно, остался им до сих пор. Я не руководствуюсь карьерными планами или амбициями… Я делаю то, что хочу делать; ведь живешь только раз… Тогда мне показалось, что это лучше, чем возвращаться обратно в Бельгию, потому я согласился… Я подумал: а что плохого может случиться за шесть месяцев?

Он ничем особо не рисковал, потому что кафедра в Бельгии оставалась за ним в любом случае. Его пребывание в ЦЕРН началось 6 октября 1971 года («иммиграционная служба сделала все возможное для того, чтобы я никогда не забыл этот день»). Спустя почти полвека Халзен все еще работает там.

Дейв Клайн внес еще один важный вклад в «физику по-висконсински» – он приучил коллег не проводить границу между теорией и экспериментом. Клайн часто сотрудничал с Верноном Баргером. Эта пара стала «почти знаменитой», согласно его собственному ироническому отзыву, после того как доказала, что новая теория так называемых полюсов Редже соответствует данным, полученным с новых ускорителей, – а затем стала «печально знаменитой»: однажды Клайн сфотографировал на какой-то конференции слайд, показал фотографию Баргеру, и они быстренько опубликовали верную интерпретацию данных, опередив авторов слайда.

Дейв долго играл с идеей запуска группы «феноменологии», которая могла бы работать на границе теории и эксперимента. После приезда Фрэнсиса Клайн тут же оценил его ум и эрудицию. Он понял, что Фрэнсис «идеально вписывается в картину». В тот момент Дейв был ведущим исследователем в эксперименте E 1A с бюджетом около полутора миллионов долларов в год. Когда закончились деньги, которые Баргер нашел, чтобы оплатить визит Фрэнсиса, Клайн взял последнего на работу в качестве постдокторанта на проект E 1A (для того времени было неслыханно, чтобы чистый теоретик работал в рамках практического эксперимента) и предложил ему место в еще не существующей, но уже задуманной им группе феноменологии.

В те дни Клайна было не остановить. Группа феноменологии родилась на встрече с ректором магистратуры Мэдисона и сотрудником министерства энергетики США, которое выдавало Клайну гранты на работу. Ректор пообещал выделить Клайну несколько миллионов долларов из фонда Висконсинского университета[3 - Wisconsin Alumni Research Fund (WARF) – Исследовательский фонд выпускников Висконсинского университета.] (чуть позже мы еще поговорим об этом фонде), а менеджер по грантам обязался выделить такую же сумму. Группа состояла из двух экспериментаторов, Клайна и Дона Ридера, и трех теоретиков – Баргера, еще одного профессора по имени Мартин Олссон и Халзена. Идея Клайна относительно феноменологии пришлась очень кстати, и вскоре было признано, что она заслуживает дальнейшей разработки.

Клайн был мастером синтеза. По словам Боба Морса, «он считал, что сделать можно все». Он игнорировал границу между ускорителем и физикой космических лучей. «Для него это не имело значения», – рассказывал Боб с усмешкой:

Дейв сказал: «Мне интересны частицы с определенной энергией». И если это значило, что для их поиска надо заняться изучением космических лучей, то он бы начал это делать… Он не видел никаких границ.

Две наиболее влиятельные работы, созданные Фрэнсисом в первые годы работы в Мэдисоне, были написаны вместе с Клайном, и одна из них как раз была посвящена космическим лучам – впервые в своей жизни Фрэнсис соприкоснулся с областью, в которой ему предстоит создать самый важный труд всей своей жизни. Так совпало, что этот труд также считается одним из самых важных за всю яркую карьеру Клайна

. Фрэнсис включает Клайна в число 3–4 самых важных учителей во всей своей жизни. Он даже дал своему сыну имя Дэвид – в честь Клайна, а также еще одного своего ментора Дэвида Спайсера, помогавшего ему в аспирантуре.

Итак, союз CCFMR направил все свои анархические силы на эксперименты на ускорителях и станциях по изучению высокоэнергетических космических лучей, разбросанных по всему миру. Однако работа с космическими лучами велась в основном лишь на вершинах гор, поэтому диссертационные исследования Джона Лёрнда были отложены на потом. После своего пребывания в Колорадо он несколько лет занимался традиционными экспериментами с высокой энергией на ускорителях в Аргонне и Стэнфорде, в то время как его безбашенные наставники обеспечили ему «должную степень свободы для путешествий» в только зарождавшейся области нейтринной астрономии. Фрэнсис Халзен сохранял приверженность своему делу, создавал одну теоретическую работу за другой и постоянно узнавал с помощью феноменологии что-то новое об экспериментальной стороне вопроса. При этом он пока еще не решался заняться по-настоящему серьезными экспериментами. Это произойдет лишь через 20 лет, когда появится проект AMANDA.

Глава 5

Мирные исследования и заинтересованные ученые со всего мира

Джон Лёрнд наконец обрел почву под ногами в 1973 году, когда на проходящей раз в два года Международной конференции по космическим лучам присоединился к нескольким ученым из США, Советского Союза и Японии в неформальной беседе на тему черенковских детекторов. В том году конференция проводилась в Денвере. На ней присутствовал и Фред Рейнес. Советская сторона была представлена Георгием Зацепиным, выдающимся экспериментатором и теоретиком (что для России намного более типично, чем для Запада). Зацепин начал свою научную карьеру в высокогорьях Памира в 1940-е годы и задумался о нейтринной астрономии на основе черенковских устройств почти одновременно с Грейзеном и Марковым, однако так и не удосужился опубликовать свои идеи. Японию представлял Сабуро Мияке, уважаемый специалист по космическому излучению и нейтрино, принимавший участие в эксперименте в Коларе.

Лёрнд воспоминает, что во время собрания «несколько человек сидели в кругу и говорили о том, что нам пора отнестись к происходящему серьезно и начать что-то делать». Рейнес придумал аббревиатуру DUMAND (хотя конкретные очертания подобного инструмента в то время были туманны), а затем был сформирован импровизированный комитет. Первый формальный семинар DUMAND прошел в Университете Западного Вашингтона в Беллингхэме в июле 1975 года.

На семинар в Беллингхэме были приглашены эксперты из разных областей: океанографы, морские инженеры, специалисты по подводным кабелям, а также биологи, которые могли бы рассказать собравшимся о том, каким образом может отреагировать на их эксперименты глубоководная жизнь. «К примеру, мы узнали, что гигантские осьминоги могут воспринять наше устройство как сексуальный объект», – полушутя рассказывал Лёрнд.

Хотя у нас по понятным причинам нет доказательств того, что осьминоги обязательно создадут проблемы, хорошо известно, что многие морские создания выделяют свет в результате процесса, известного под названием биолюминесценции. Это явление заслуживало тщательного изучения, поскольку оно могло создавать помехи для черенковского детектора. На следующем семинаре DUMAND один специалист по морским беспозвоночным осветил эту проблему в докладе под названием «Змеи в астрофизическом Эдеме»

.

По итогам голосования на семинаре в Беллингхэме Фред Рейнес и Джон Лёрнд получили должности председателя и вице-председателя формального руководящего комитета DUMAND. После этого Рейнес начал приглашать к сотрудничеству других ученых, в том числе Дейва Клайна, считавшего, что его пригласили из-за его познаний в нейтрино, которые он приобрел в ходе эксперимента E 1A. Коллеги Дейва по CCFMR Уго Камерини и Боб Марч не могли отказаться от искушения присоединиться к этой безумной затее, вследствие чего Висконсинский университет стал одним из основных учреждений в составе проекта DUMAND.

Рейнес пригласил Артура Робертса, которого можно было бы в определенном смысле назвать «научным дедушкой» Джона Лёрнда, поскольку он был научным руководителем у Говарда Дэвиса, руководителя самого Лёрнда. Экскурс в физику космических лучей мог стать кульминацией долгой и полной заслуг карьеры Робертса, а его исследования в рамках DUMAND – его последней научной работой

. Как и Рейнес, Робертс в молодости должен был сделать выбор между физикой и музыкой (в его случае – фортепиано), и на протяжении всей своей карьеры он писал сатирические песни в стиле Тома Лерера на темы физики и научной жизни

. Важно было и то, что он знал столько же песен Гилберта и Салливана, что и Рейнес, потому они могли петь дуэтом в перерывах.

Еще одним участником, идеально вписавшимся в компанию, стал Дэвид Шрамм, заслуженный физик и космолог из Чикагского университета. О нем говорили, что он относится к науке так же, как к своему любимому виду спорта – рестлингу. У Шрамма были рыжие волосы и рост больше 190 см. Как-то раз он чуть не попал в состав олимпийской сборной. В течение многих лет, пока у него не начали побаливать колени, он занимался рестлингом в составе команды «Чикаго Буллз». Рассказывают, что, когда он был аспирантом и кто-то заметил, что тема его диссертации может показаться слишком рискованной и спорной, он провел на своем собеседнике удушающий прием «по всей науке»

.

Поняв, что успех или неудача проекта полностью зависят от возможностей глубоководной инженерии, Рейнес пригласил для решения соответствующих задач Говарда Блада, директора Центра военно-морских и океанских систем, расположенного в Сан-Диего. Это было стратегически верным важным шагом, поскольку у центра Блада имелось отделение на Гавайях, а когда эксперты-океанологи из Беллингхэма всерьез занялись поисками площадки на глубине около пяти километров с чистой водой и необходимыми коммуникациями на ближайшем берегу, они обратили внимание на два места именно на Гавайских островах.

Одной из самых странных личностей, подключившихся к работе DUMAND, был некто Питер Котцер. Он руководил семинаром в Беллингхэме и редактировал его протоколы

. Лёрнд убежден, что этот человек работал на ЦРУ. Правда это или нет, но он действительно, довольно долго и не особенно скрывая это, работал над применением научных идей в военных целях. В годы холодной войны военные пристально следили за наукой, и Котцер к тому времени уже три года занимался проектом UNCLE (Undersea Cosmic Lepton Experiment – подводный эксперимент с космическими лептонами)

, в сотрудничестве с «Фермилаб» и Военно-морской исследовательской лабораторией в Вашингтоне.

Это была эра ядерного сдерживания, известного как доктрина «взаимного гарантированного уничтожения». Советский Союз и США достигли ядерного паритета, и было выдвинуто предположение, что ни одна из стран не сможет уничтожить другую, не будучи уничтоженной в ответ, и последний удар в этом противостоянии должны были нанести атомные подводные лодки, вооруженные межконтинентальными баллистическими ракетами с ядерными боеголовками. Считалось, что, даже если страна сможет разрушить все наземное или воздушное ядерное оружие противника, подводные лодки все же смогут всплыть на поверхность – где бы они ни находились – и нанести удар возмездия (если только успеют получить необходимый приказ). Поэтому обе стороны работали над сложной проблемой связи с подводными лодками, находящимися на огромных расстояниях и на больших глубинах.

Программа UNCLE представляла собой технико-экономическое обоснование для связи с подводными лодками на основе нейтрино

. Хотите верьте, хотите нет, но идея состояла в том, чтобы снабдить подводные лодки черенковскими детекторами и использовать ускоритель частиц для отправки импульсов, состоявших из нейтрино и, по всей видимости, зашифрованных азбукой Морзе. Разумеется, огромное преимущество нейтрино состоит в том, что они способны проникать сквозь любую поверхность, а значит, импульсы могли направляться по прямой на подводную лодку, вне зависимости от ее местонахождения в мировом океане. Радиосвязь в этом случае не подходила, поскольку радиоволны обычных частот не могут проникать сквозь большую толщу воды или земли; на это способны лишь колебания с очень низкими частотами, а для их передачи потребовалась бы очень длинная антенна, находящаяся при этом под землей (впрочем, военные работали и над этой технологией).

Подобным странным занятиям ученые активно предавались в шестидесятые и семидесятые годы. Судя по всему, в них принимал участие даже Клайд Кован, былой коллега Фреда Рейнеса. Он переехал из Лос-Аламоса в Католический университет Америки в Вашингтоне, округ Колумбия, и там принялся сотрудничать с учеными из Военно-морской исследовательской лаборатории (несколько из которых опубликовали работу на тему «Телекоммуникации на основе пучков нейтрино» в журнале Science в 1977 году

). По словам Кристиана Шпиринга, который впоследствии возглавил немецкий контингент в проектах AMANDA и IceCube, советские ученые также интересовались этим вопросом. Идея не получила развития, поскольку для получения сигнала подводные лодки должны были выпускать огромные и неуклюжие «крылья» с оптическими детекторами. К чести людей, принимавших решения от имени ВМФ США, они достаточно быстро отказались от этой идеи. Дейв Клайн вспоминает, как однажды отправился на встречу в Вашингтон, чтобы обсудить вопросы финансирования DUMAND с «важным адмиралом из ВМФ». Он сидел рядом с адмиралом и поэтому услышал, как в момент, когда в комнату вошел Фред Рейнес, тот повернулся к своему помощнику и проворчал: «Надеюсь, это не похоже на идиотскую идею Котцера» (адмирал имел в виду идею UNCLE). К несчастью, военные моряки не заинтересовались проектом DUMAND, поскольку инструмент должен был располагаться слишком глубоко. Подводные лодки в то время имели рабочую глубину погружения всего лишь около 250 метров.

Важность программы DUMAND сложно переоценить. Поначалу все идеи, связанные с ней, были масштабными и смелыми, как и сам Дейв Шрамм. В течение первых пяти лет проект выживал только благодаря материнской заботе небольшой группы первопроходцев. Единственным, кто был сосредоточен исключительно на этом проекте, был Артур Робертс, получавший финансовую поддержку от Роберта Уилсона, «ковбоя» из Вайоминга, управлявшего лабораторией «Фермилаб». Другие участники жили на гранты от других проектов, таких как E 1A, и развивали DUMAND в свободное время. Хотя это название позднее было присвоено вполне конкретному инструменту, DUMAND был и, по сути, остается концепцией, объединяющей подводную и подземную нейтринную астрономию во всех ее формах

. Будет вполне справедливым сказать, что практически любое достижение в области нейтринной астрономии за последние четыре десятилетия так или иначе плод именно этой концепции. Ученые даже подумывали об использовании полярного льда в качестве рабочей среды проекта, однако отказались от этой идеи, поскольку понимали, что не смогут справиться с логистикой в полярных регионах – единственных местах на Земле, где ледяной покров обладает достаточной толщиной, чтобы не пропускать космические лучи. Много лет спустя даже те из участников IceCube, кто слышал о DUMAND совсем немногое, отдают этому проекту должное. Боб Морс отмечает, что влияние DUMAND было настолько велико, что при разработке AMANDA ученые даже скопировали некоторые ошибки предшественника!

Артур Робертс представил первые идеи по разработке проекта на международной конференции по вопросам нейтрино в немецком городе Ахен в июне 1976 года

. Ученые создали три фундаментальные концепции и наделили их мифологическими названиями: UNDINE (UNderwater Detection of Interstellar Neutrino Emission – «подводное детектирование межзвездного нейтринного излучения»)

, ATHENE (ATmospheric High Energy Neutrino Experiment – «эксперимент с атмосферными высокоэнергетическими нейтрино») и UNICORN (UNderwater Interstellar Cosmic-Ray Neutrinos – «подводные межзвездные нейтрино из космических лучей»).

Одно из их первых прозрений заключалось в том, что для изучения нейтрино с различными уровнями энергии требуются различные инструменты и что более высокие уровни энергии требуют более крупных инструментов. Это следовало из факта, что мюоны с низкой энергией проходят меньшее расстояние в изучаемой среде, чем мюоны с высокой энергией, а также отдают меньше света, поскольку прежде всего у них имеется меньше энергии для его излучения. Размер каскада, создаваемого электронным нейтрино, будет расти с ростом энергии.

UNDINE, самая маленькая по масштабу из трех концепций, была призвана выявлять низкоэнергетические нейтрино в диапазоне от нескольких миллионов до примерно 100 миллионов электрон-вольт. Такие нейтрино излучаются Солнцем и ближайшей к нам сверхновой – последнее было явлением более интересным с научной точки зрения, но, конечно, более редким. Принято считать, что сверхновые зарождаются в нашей галактике, Млечном Пути, в среднем один раз в 50 лет, однако это событие часто остается не замеченным оптическими телескопами, поскольку сверхновые закрыты от последних за облаками межзвездной пыли. Разумеется, это не представляет проблемы для детектора нейтрино, поскольку нейтрино проходят сквозь пыль, как будто ее там нет, однако 50 лет – это слишком большой срок для большинства научных проектов (не говоря уже о личной карьере большинства ученых), так что концепция UNDINE никого особенно не привлекла. По оценкам ученых, они могли бы теоретически обнаруживать примерно по одной сверхновой в неделю, то есть «дотянуться» до ближайшего кластера в скоплении Девы, однако для этого потребуется детектор весом в 100 миллионов тонн, а об этом не могло быть и речи.