В ближайшее время во льдах Антарктиды завершится строительство огромного нейтринного телескопа IceCube, обошедшегося американцам в 250 млн долларов. С его помощью, возможно, удастся поймать самый загадочный объект Вселенной — сверхэнергетический нейтрино. В России ловля "неуловимой частицы" пока обходится значительно дешевле
Зимой температура в Антарктиде минус 74, ветер гонит снег со скоростью 300 километров в час, поэтому передвигаться можно только по вырытым среди сугробов кротовым туннелям. Телескоп IceCube находится чуть восточнее американской полярной станции "Амундсен-Скотт". Ее прежнее здание, построенное во времена экспансии американцев на Южный полюс в конце 1950-х, ныне намертво погребено под слоем снега. Антарктида вообще славится снегом, ветром, холодом и разреженным воздухом, однако все это нисколько не мешает многочисленным добровольцам атаковать официальный сайт IceCube, где вывешен список "нужных людей" — от астрофизиков высшей категории до поваров, технического персонала и специалистов по выращиванию овощей без почвы: в теплицах Антарктиды растения выращиваются по особой технологии. Все эти люди, получая по западным меркам достаточно небольшие деньги, надеются попасть в настоящую историю науки.
Обнаружение первого нейтрино с высокими энергиями позволит узнать, какая из множества существующих ныне теорий, описывающих устройство мироздания, верна, то есть мы сможем ответить на детский вопрос, как все устроено на самом деле.
Частица-невидимка
Нейтрино — стабильная элементарная частица, которая не имеет электрического заряда и обладает ничтожной массой. Это позволяет ей почти беспрепятственно проходить сквозь любую материю, например через каждый квадратный сантиметр человеческого организма ежесекундно проносятся 100 млрд нейтрино, но за 70 лет нашей жизни только один из них сталкивается с какой-либо элементарной частицей нашего тела.
Такое количество нейтрино вполне объяснимо — эти частицы в огромных количествах образуются в результате любых ядерных реакций, например в земных атомных реакторах или в недрах Солнца. Но сегодня астрофизиков больше интересует особый тип нейтрино — сверхэнергетические, обладающие в миллиард раз большей энергией, чем те элементарные частицы, которые разгоняют на знаменитом адронном коллайдере в CERN. Такие сверхэнергетические нейтрино образуются в результате катаклизмов космического масштаба. Например, при загадочных гамма-всплесках — гигантских взрывах в космическом пространстве, когда за несколько секунд высвобождается столько энергии, сколько наше Солнце способно выделить за 10 млрд лет. Открыто это явление было еще в 1969 году американцами с помощью спутников-шпионов Vela, которые отслеживали эхо ядерных взрывов после заключения Московского договора о запрете ядерных испытаний в трех средах. Каково же было удивление американцев, когда спутник передал данные, согласно которым Советский Союз якобы взрывал атомные бомбы каждый день, да еще с такой завидной секретностью, что об этом не знала ни одна спецслужба. Через некоторое время, когда ученые смогли определить направление взрывов, стало понятно — они происходят далеко за пределами нашей Галактики. За прошедшие после тех событий 40 лет гамма-всплески остаются одной из самых больших загадок астрофизики. Разгадать ее сможет тот, кто поймает "свидетеля" подобного катаклизма — сверхэнергетический нейтрино. Правда, встает вопрос: как поймать то, что не ловится?
Голубой свет
Поймать такого сверхэнергетического "свидетеля", в принципе, невозможно, но ученым этого и не надо. Для получения нужной информации достаточно следа, который оставляют неуловимые частицы при столкновении с элементарными частицам.
— Когда нейтрино сталкивается с электроном или нейтроном, то образуются сверхтяжелые заряженные частицы и этот процесс сопровождается выделением энергии в виде вспышки голубого света,— говорит профессор Университета Висконсин-Ривер Фолс Джеймс Мэдсен, один из руководителей проекта IceCube.— Эти вспышки очень короткие, они длятся миллиардную долю секунды, поэтому для их регистрации нужны специальные детекторы.
Наши ученые «ловят» нейтрино в байкальских водах
Детекторы — сверхчувствительные фотоэлектроумножители — внешне очень напоминают гигантские елочные шары, нанизанные на многометровые стальные тросы. Каждый из этих приборов постоянно фотографирует окружающую среду в надежде зафиксировать важный для астрофизики момент столкновения нейтрино. На роль такой среды идеально подходят два вещества — лед и вода.
— Идея создания подводных нейтринных телескопов была сформулирована в 1960-е годы нашим соотечественником Моисеем Александровичем Марковым,— говорит профессор Николай Буднев, директор Института прикладной физики Иркутского государственного университета (ИГУ).— Он понимал, что для их обнаружения нужны огромные объемы вещества — порядка кубического километра. Если попробовать построить такую установку, она будет весить миллиарды тонн, поэтому было решено использовать природную среду — воду или лед, с размещенными в них датчиками.
Первая попытка строить такую станцию была предпринята американцами в 1970 году. Пригнав плавучую платформу в район Гавайских островов, они столкнулись с практически неразрешимой проблемой — на глубине 5 километров стальные тросы с шарами неизбежно перепутывались из-за сильного волнения океана. После нескольких неудачных попыток морской проект был свернут, и американцы задумались об использовании льда.
— Лед по своим оптическим характеристикам хуже прозрачной воды: даже в самом чистом льде есть воздушные микропузырьки, которые неизбежно рассеивают свет, а чтобы узнать точное прошлое прилетевшего нейтрино, нужен очень четкий след,— говорит профессор Буднев.— Но другого выхода у американских ученых не было. Ведь в США нет такого уникального природного объекта, как озеро Байкал, которое замерзает зимой, благодаря чему ученые могут спокойно через лунки размещать струны с фотоумножителями.
Между тем еще в 1979 году делегация из выдающихся американских астрофизиков прибыла на Байкал, чтобы обсудить возможный проект совместной работы по поимке нейтрино. Но буквально через пару месяцев началось вторжение Советской армии в Афганистан, и все советско-американские проекты были свернуты. С тех пор американцы и русские работают врозь. При этом России благодаря прочной научной базе удалось первой в мире построить нейтринный телескоп, работающий с природной средой.
Подводная ловля
Как только Байкал покрывается льдом, у ученых ИГУ начинается жаркая пора. Байкальский нейтринный телескоп NT-200+ работает здесь с 1993 года, когда в воду были опущены три гирлянды. В условиях разрухи и отсутствия денег сделали их буквально чудом — запчасти, спецодежду и даже продукты высылали коллеги из Германии. Многие задачи приходилось решать на ходу, например понимать, как поведет себя стекло, разъемы и электроника в ледяной байкальской воде. Но, несмотря на все сложности, именно российский телескоп впервые в мире зарегистрировал в естественном водном бассейне вспышки от обычных нейтрино.
Телескоп расположен на 106-м километре Кругобайкальской железной дороги, в 4 километрах от берега. Внешне база ученых-физиков выглядит не очень технологично: несколько домиков, включающих деревянную избу с русской печкой, построенную еще при царе, когда здесь в скалах пробивали железную дорогу, и ряд вагончиков, в которых хранится оборудование. Сам телескоп круглогодично находится под водой. Каждая гирлянда соединена с двумя подводными компьютерами, "парящими" на глубине 25 метров, а они, в свою очередь, связаны кабелем с центром управления на берегу, который аккумулирует информацию, полученную детекторами. Чтобы вся конструкция не всплывала, к ней крепится груз весом 800 килограммов: в стальной лист "завернуты" чугунные и железные болванки.
Как только лед на Байкале становится крепким, ученые приступают к осмотру оборудования
После того, как лед на Байкале становится крепким, ученые приступают к осмотру оборудования. Для этого пробуривают квадратные лунки, через которые на поверхность вытягиваются опутанные проводами детекторы, похожие на инопланетных насекомых. Из-за частого ледяного ветра и низкой температуры на льду работают, как правило, сразу несколько человек, подменяя друг друга. Но тем не менее больше всего в ловле нейтрино российским ученым мешают не превратности погоды и даже не космические катаклизмы, а местные рыбаки. Вернее, рыбацкие сети, которые браконьеры обрезают при появлении катеров Рыбоохраны. Многокилометровые сети наматываются на струны телескопа, обрывая провода и мешая эксперименту. Как бороться с этой напастью, ученые еще не придумали.
Глубина озера, прозрачность воды и лед, который позволяет беспрепятственно перемещаться по поверхности и следить за работой телескопа,— три преимущества, которых больше нет нигде в мире. Тем не менее, тот самый заветный сверхэнергетический нейтрино пока еще не пойман.
— Это не удивительно,— говорит профессор Николай Буднев.— Подсчитано, что интересные результаты получаются при охвате примерно одного кубического километра водной или ледяной среды. Пока же у нас на такой объем еще силенок не хватает — в отличие от американцев, которые стали конструировать IceCube как раз для охвата кубокилометра. Но для строительства более масштабной установки нужны немалые деньги. Правда, несколько лет назад проект финансирования достройки Байкальского нейтринного телескопа попал в один из правительственных научных мегапроектов — наравне с развитием атомной энергетики и нанотехнологий. Но потом случился глобальный финансовый кризис и наш мегапроект накрылся.
Долгая фотоохота
До заявленного срока окончания строительства IceCube осталось чуть больше месяца. Круглые сутки здесь, стараясь успеть до наступления арктической зимы, работают инженеры, которым нужно "впаять" нити нейтринного телескопа в толщу льда. Чтобы сократить расходы, было решено отказаться от бурения и растапливать лед с помощью струи горячей воды. Шахту, уходящую на два с половиной километра вглубь ледника, "бурят" водой по 57 часов непрерывно.
Ловля нейтрино — задача долгоиграющая. Чтобы накопить достаточный объем статистики, телескоп должен работать не один десяток лет. В этом смысле говорить о какой-то конкуренции между байкальским телескопом NT-200+ и американским IceCube довольно наивно. Кроме того, так же как и обычные телескопы, расположенные в разных полушариях, нейтринные телескопы наблюдают разные части неба и космоса, IceCube — Северное полушарие, а наш телескоп — Южное. В ближайших планах ученых обеих стран входит создание принципиально иных методов ловли нейтрино. Ведь, как утверждают ученые, столкновение нейтрино с другими элементарными частицами сопровождается не только световым импульсом, но и звуковыми колебаниями — образно говоря, это напоминает гигантский электрический разряд во время грозы, который сопровождается яркой вспышкой молнии и громом. И если наноразмерные "молнии" от столкновения нейтрино ученые уже научились замечать и отслеживать, то вот "гром" пока еще остается неизученным. Впрочем, создание таких "звукодетекторов" — дело далекого будущего, а пока же с начала следующего года на неуловимые частицы открывается полномасштабная фотоохота.