Астрофизика призраков

Существует такая частица-призрак - нейтрино, для которой земной шар прозрачнее, чем тонкое, хорошо вымытое стекло для обычного света. Эти невидимки способны пролететь Вселенную от края до края, так ни с чем и не провзаимодействовав по дороге. Больше всего их прибывает к нам из Солнца, где они рождаются при термоядерном превращении водорода в гелий. Примерно 100 триллионов солнечных нейтрино пронизывают каждого из нас ежесекундно. И в среднем за всю жизнь только одно из них вступает в реакцию с каким-либо атомом человеческого тела. Но астрономы научились “ловить” эти частицы.

Принцип работы всех нейтринных телескопов достаточно прост. Нужно взять десятки, а лучше сотни тонн какого-нибудь вещества (это может быть очень дешевое моющее средство - перхлорэтилен, или, наоборот, редкий и дорогой металл галлий, или даже обыкновенная вода) и поместить его в специальной емкости глубоко под землю - например, в заброшенную шахту, чтобы защитить от воздействия космических лучей. Время от времени будет происходить достаточно редкое событие - взаимодействие нейтрино с каким-нибудь атомом вещества. Определив скорость появления следов, оставленных такими взаимодействиями, можно рассчитать поток пролетающих нейтрино.

Если мы хотим “заглянуть” в недра Солнца, галактических ядер, квазаров, то помочь в этом могут только нейтрино. Например, гамма-излучению, рождающемуся в центре Солнца, требуются миллионы лет, чтобы “выбраться” на поверхность, а нейтрино совершенно свободно вылетают оттуда, затратив на весь путь только две секунды. Начальный этап исследований солнечных нейтрино завершен, и уже делаются первые шаги по изучению потока и спектра этих частиц, идущих к нам из недр Земли, где они рождаются при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов. Характерная энергия подобных процессов - сотни тысяч и миллионы электрон-вольт на одну частицу.

Космические монстры

На Большом адронном коллайдере, который должен вступить в строй в этом году, субатомные частицы будут разгоняться до рекордных энергий - триллионы электрон-вольт. Но ведь на Землю регулярно прилетают космические лучи с энергией, в миллионы раз большей! Где же рождаются подобные монстры? Ясно, что не в пустом пространстве. Их источники находятся в какой-то среде. Взаимодействуя с атомами этой среды, высокоэнергичные космические лучи будут порождать нейтрино сверхвысоких энергий, исследовав которые можно получить ценную и неискаженную информацию об источниках космического излучения. Но поток таких частиц вблизи Земли чрезвычайно мал. Чтобы их надежно регистрировать, рабочий объем детектора должен иметь размеры миллионы, а лучше миллиарды кубических метров! Напомним, что масса воды в наиболее крупном из современных подземных детекторов - японском Суперкамиоканде - составляет “всего” 50 тысяч тонн. Более крупное подземное сооружение практически невозможно построить из-за технических трудностей. Что же делать?

В 1960 году академик М.Марков высказал замечательную идею: в качестве детектора нейтрино можно использовать гигантские объемы океанской воды! Затем академик А.Чудаков модернизировал ее, заменив океан Байкалом. Глубина этого резервуара пресной воды превышает километр, но главное - он покрывается зимой толстым слоем льда, с которого очень удобно опускать под воду научную аппаратуру.

Строительство телескопа началось в начале 1990-х годов. Его основу составляют специально созданные фотоумножители, упакованные в стеклянные корпуса, выдерживающие давление более 100 атмосфер. Они попарно крепятся на грузонесущий кабель-трос и опускаются через прорубь в воду на километровую глубину. Снизу трос фиксируется при помощи тяжелых якорей, а вверх его тянут буи (гигантские поплавки). В результате вся эта “гирлянда” принимает строго вертикальное положение. Сейчас уже работают 11 “гирлянд”, и эффективная масса детектора составляет примерно 10 миллионов тонн. К 2012 году планируется увеличить ее до 300 миллионов. А в 2016 году телескоп должен достичь своей максимальной мощности, которая составит один миллиард тонн, что соответствует объему в один кубический километр. Фантастический проект ХХ века на наших глазах превращается в реальность.

Сегодня в нем участвуют научные сотрудники из Института ядерных исследований РАН, Иркутского государственного университета, Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ, Нижегородского технического университета, Объединенного института ядерных исследований, Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, Российского научного центра “Курчатовский институт”, Акустического института им. А.А.Андреева, DESY (немецкий электронный синхротрон). Руководит проектом заведующий лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Григорий Домогацкий.

Нейтринная астрофизика переворачивает привычную астрономию с ног на голову. Если оптические и радиотелескопы ученые пытаются вынести в космос, за пределы земной атмосферы, то нейтринные, наоборот, прячут в шахты или размещают глубоко под водой. Чтобы проникнуть в тайны Вселенной, астрономы внимательно изучают глубины сибирского озера. Я мысленно представил множество стеклянных глаз, которые, словно гигантская рыболовная сеть, опускаются под толщу темной воды, чтобы уловить подслеповатый нейтринный “свет” от далеких галактик. Возможно, эта необычная картина и вызвала из подсознания красочный сон.

Байкальский “полтергейст”

Поток высокоэнергичных нейтрино проходит через байкальскую воду, словно через пустое пространство. Но время от времени происходит редкое событие: одна из пролетающих частиц взаимодействует с ядром какого-нибудь атома, передавая ему часть своей энергии.

Если бы подобные процессы происходили в обычном мире, то они выглядели бы примерно так. Допустим, вы играете в бильярд и замечаете, что при соударении шаров всегда выполняются законы сохранения энергии и импульса. В этом нет ничего удивительного. Теперь представьте, что один из шаров без какой-либо видимой причины вдруг превращается во множество шаров и все они начинают двигаться с огромной скоростью примерно в одном направлении, разбивают оконное стекло и улетают прочь. Может ли произойти нечто подобное в действительности?

В микромире может. Прежде чем “ударить” атомное ядро, высокоэнергичное нейтрино “подкрадывается” к нему совершено незаметно, хотя и движется при этом со скоростью света. На всем протяжении пути, прилетев из какой-то далекой галактики, оно никак не выдает себя, словно бы его вообще не было. После удара нейтрино также бесследно исчезает. Мы узнаем о его появлении только потому, что атомное ядро без видимой причины вдруг распадается и порождает множество новых частиц, двигающихся с огромной скоростью - большей, чем скорость света в воде. А если заряженная частица движется так быстро, то она порождает черенковское излучение. Зарегистрировав его с помощью фотоумножителей, а затем обработав полученную информацию, можно определить энергию нейтрино и направление, откуда оно прилетело. Но вероятность, что такое событие произойдет внутри байкальского детектора, достаточно мала. Гораздо больше шансов, что нейтрино вступит в реакцию с ядром какого-нибудь атома, расположенного в пределах нескольких километров от детектора (в воде или в грунте под установкой), породит высокоэнергичный мюон, который затем пролетит вблизи “гирлянд” и будет зарегистрирован фотоумножителями. При этом эффективный объем детектора возрастает в десятки раз. Но здесь возникает проблема: как нейтринные мюоны отличить от атмосферных, возникающих под действием космических лучей?

Мюон обладает высокой проникающей способностью и может пролететь даже несколько километров скальных пород. Но пройти насквозь земной шар он не в состоянии, на это способно только нейтрино. Поэтому все мюоны, прилетевшие сверху, не принимаются во внимание, так как их происхождение неизвестно. Но те, что прибывают снизу, не могли быть рождены космическими лучами, ведь в этом случае они не долетели бы до детектора. Значит, эти мюоны рождены высокоэнергичными нейтрино. Именно их и регистрирует детектор. Как показали наблюдения, примерно на два миллиона мюонов, прилетающих сверху, приходится только один, вылетающий из-под земли.

Основная задача Байкальского телескопа - обнаружить космические источники нейтрино, находящиеся за пределами Солнечной системы. Тогда мы узнаем, как выглядит наша Вселенная в нейтринном освещении. Астрономы надеются, что это удастся сделать, когда детектор заработает на полную мощность. Можно отметить, что попытки зарегистрировать частицы-призраки, несущие огромную энергию, предпринимались учеными еще в 1970-х годах, когда разрабатывался международный проект по созданию глубоководного детектора в Тихом океане, вблизи Гавайских островов. К сожалению, по техническим причинам его так и не удалось реализовать, и стало казаться, что сооружение гигантских телескопов наталкивается на непреодолимые трудности. Успешный Байкальский проект развеял подобные опасения. Стало ясно, что нейтрино сверхвысоких энергий, прилетающие к нам из дальнего космоса и несущие с собой эксклюзивную информацию, не только нужно, но и можно регистрировать, используя для этого естественные водные резервуары. Новый почин сначала был подхвачен американцами, которые в конце 1990-х годов стали строить нейтринный детектор в антарктическом льду вблизи Южного полюса. Затем и европейские страны взялись за постройку аж трех глубоководных телескопов в Средиземном море. Все это вселяет уверенность, что лет через десять нейтринная астрофизика сверхвысоких энергий станет мощным инструментом для изучения Вселенной.