Неуловимые: как физики научились охотиться на нейтрино

Чтобы прочесть слово «нейтрино», нужна секунда. За эту секунду каждый квадратный сантиметр вашего тела насквозь прошили десятки миллиардов крошечных снарядов, рожденных в центре Солнца. Сейчас ночь? Неважно: нейтрино проходят через толщу земного шара, даже не замечая ее.

Пространство буквально кишит этими частицами. Одних только реликтовых нейтрино, рожденных вскоре после Большого взрыва, сотни на каждый кубический сантиметр (так, по крайней мере, считают теоретики). Их на несколько порядков больше, чем электронов, не говоря об атомах. А ведь нейтрино рождаются еще и в термоядерных топках звезд, в верхних слоях атмосферы Земли, в глубинах мантии, в ядерных реакторах, при взрывах сверхновых…

Мы не замечаем нейтрино, поскольку они не замечают нас. Эти частицы не причиняют вреда человеку, они его попросту игнорируют (в каком-то смысле, это больнее). Впрочем, как и любую другую материю. Частицы, лишенные электрического заряда и то ли почти, то ли совсем не имеющие массы, проскальзывают между электронами и атомными ядрами, почти никогда не врезаясь в них.

Поэтому нейтрино легко выскальзывают из таких уголков, откуда ничто другое не вырывается неизменным. Например, фотон, рождающийся в центре Солнца, бессчетное количество раз поглощается и вновь переизлучается веществом. Поэтому его путь к поверхности светила занимает десятки, если не сотни тысячелетий. Эта одиссея меняет фотоны до неузнаваемости: жесткие гамма-лучи становятся обыкновенным светом.

А вот нейтрино, рожденные в тех же термоядерных реакциях, что и фотоны, пронзают толщу звезды, будто ничего не заметив. Они-то и позволяют астрономам буквально по полочкам разложить термоядерные реакции в центре Солнца, геофизикам — изучить распад радиоактивных элементов в мантии Земли, а специалистам по ядерной безопасности — на расстоянии заглянуть в любой реактор. Словом, нейтрино требуются всем.

Но если эти частицы высокомерно не замечают всей толщи земного шара, как заставить их снизойти до взаимодействия с детектором? К счастью, «нейтрино почти никогда не взаимодействует с материей» не означает «совсем никогда». Крайне редко какая-нибудь из этих частиц все-таки врезается в электрон или атомное ядро. Физики изобрели довольно много способов зафиксировать это знаменательное событие. Мы расскажем о самых важных.

Пусть не поймаешь нейтрино за бороду

Столкнувшись с нейтроном атомного ядра, нейтрино превращает его в протон. А число протонов, как нас учили в школе, это «паспорт» химического элемента. С семнадцатью протонами это было ядро хлора, а коль скоро их стало 18, это, простите великодушно, уже аргон. Пересчитав образовавшиеся в мишени ядра аргона, можно узнать, сколько нейтрино в нее попало. Поштучно.

Минуточку, что значит «пересчитав ядра»? В стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане! Значит, нужно, чтобы атомы аргона сами заявляли о себе. Как? Своим радиоактивным распадом и сопутствующим ему излучением. К счастью, нерадиоактивный хлор-37 под ударом нейтрино превращается как раз в радиоактивный аргон-37.

Этот метод регистрации нейтрино был предложен Бруно Понтекорво, советским физиком итальянского происхождения, еще в 1946 году. Однако первые солнечные нейтрино были зарегистрированы этим методом не в СССР, а в США.

«Пусть не поймаешь нейтрино за бороду
И не посадишь в пробирку, –
Было бы здорово, чтоб Понтекорво
Взял его крепче за шкирку!»

пел Высоцкий в 1960-х

Впрочем, в 1965 году советский физик Вадим Алексеевич Кузьмин предложил еще более перспективный способ «ловли за бороду». Он основан на превращении галлия-71 в радиоактивный германий-71. Этот метод позволяет регистрировать нейтрино с энергией от 0,2 мегаэлектронвольт (МэВ), в то время как хлор-аргоновый — от 0,8 МэВ.

Поэтому галлий-германиевые телескопы улавливают куда большую долю солнечных нейтрино. Сегодня в мире осталась ровно одна крупная установка этого класса. Это Галлий-германиевый нейтринный телескоп Баксанской нейтринной обсерватории в Кабардино-Балкарии.

Его реакторы содержат 50 тонн жидкого галлия (этот металл плавится при 30 °C). Много ли германия-71 образуется в этой мишени под ударами нейтрино? Примерно… одно атомное ядро в сутки. Найти его в 50 тоннах вещества — задача, по сравнению с которой поиск иголки в стоге сена выглядит салонным развлечением. Главное — не перепутать распад германия-71 с радиоактивностью каких-нибудь примесей или с помехами от вездесущих космических лучей.

Вот поэтому Баксанский телескоп спрятан в недрах горы Андырчи высотой более четырех километров. Толща камня над головой поглощает большую часть космических лучей, никак не влияя на поток нейтрино.

Радиационный фон в обсерватории более чем в сто раз ниже, чем на поверхности, а в специально защищенных помещениях — в десятки тысяч раз. К слову, столь капитальная защита позволяет не только ловить нейтрино, но и проводить многие другие эксперименты, вплоть до измерения радиоактивности живого человека.

Превращение элементов, исполняющее мечты древних алхимиков, — занимательный процесс. Но у этого метода регистрации нейтрино есть недостаток: он не работает в реальном времени. Нужно подождать, пока в мишени накопятся атомы радионуклида, будь это аргон-37, германий-71 или технеций-98.

Потом вещество нужно прокачать сквозь громоздкую систему, вылавливающую радиоактивный распад. Все это требует времени. А значит, о любом скоротечном выбросе нейтрино, будь это взрыв сверхновой или вспышка в окрестностях черной дыры, можно узнать лишь постфактум.

В связи с этим еще в 1970-х началась разработка более расторопных телескопов.

История открытия нейтрино

В 1920-х годах ученые обнаружили, что при радиоактивном распаде некоторых атомных ядер часть энергии исчезает неизвестно куда. На некоторое время это даже заставило физиков усомниться в законе сохранения энергии.

В 1930-х годах швейцарский физик Вольфганг Паули предположил, что энергию уносит неизвестная частица. В 1956 году американские исследователи Фредерик Райнес и Клайд Коуэн экспериментально обнаружили эту частицу, получившую название нейтрино.

Вспышки истины

Когда нейтрино врезается в нейтрон, тот превращается в протон. Из двух нейтральных частиц образуется положительно заряженная? Здесь что-то не так: электрический заряд в природе не возникает ниоткуда. Значит, должна возникать еще и отрицательно заряженная частица. Это мюон. Уловив его, можно зафиксировать столкновение нейтрино с ядрами.

Так действует еще одна крупная установка Баксанской обсерватории — запущенный в 1978 году Подземный сцинтилляционный телескоп. Более трех тысяч сосудов содержат в общей сложности 330 тонн сцинтиллятора — легкого керосина со специальными добавками. Пролет заряженных частиц вызывает в нем вспышки. Эти вспышки и сигнализируют о рождении мюонов, а значит, о прибытии нейтрино.

В мире есть и другие сцинтилляционные нейтринные телескопы. Все они спрятаны под землю, чтобы в сцинтиллятор не попадали космические лучи.

Один из самых интересных проектов этого типа — Borexino, работающий с 2007 года. Этот детектор находится в недрах горы Гран-Сассо в Италии. Он улавливает столкновения нейтрино не с атомными ядрами, а с электронами. В результате подобного ДТП электрон получает дополнительную энергию и вызывает вспышку в сцинтилляторе.

Основная задача «Борексино» — изучение Солнца. А еще «Борексино» улавливает нейтрино из мантии Земли. Они образуются при распаде радиоактивного урана и тория — это важный, хотя и не единственный источник подземного тепла.

Нейтрино чистой воды

Еще один интересный способ ловить нейтрино не требует ни почти алхимических трансмутаций, ни сотен тонн сцинтиллятора. Эти частицы можно буквально вылавливать в воде (разве что не удочкой). Как действуют подобные нейтринные телескопы? Предположим, что в атом врезается нейтрино. В результате из атома вылетает заряженная частица.

Если энергия нейтрино достаточно велика, то вторичная частица движется сквозь воду быстрее света. Да, вы не ослышались: это в вакууме свет движется с самой большой скоростью из существующих в природе, но в прозрачном веществе, будь то вода, лед или стекло, свет распространяется медленнее, и его вполне можно обогнать.

А если заряженная частица движется сквозь среду быстрее света, она сама начинает испускать свет. Это эффект Вавилова–Черенкова, и в его честь нейтринные телескопы, использующие жидкую воду или лед, называются черенковскими.

Черенковские нейтринные телескопы вступили в строй еще в 1980-х. Сегодня крупнейший в мире инструмент подобного типа — японский SuperKamiokande, работающий с 1996 года. На глубине около километра скрывается резервуар, содержащий 50 тысяч тонн сверхчистой воды. Этот телескоп рассчитан на солнечные нейтрино с не бог весть какой энергией в несколько МэВ.

Естественно, что вспышки черенковского света получаются тусклыми. Поэтому и вода требуется сверхчистая, да и датчиков света нужно очень много: более 11 тысяч.

Но из космоса порой прилетают и куда более энергичные частицы: в сотни гигаэлектронвольт, а то и сотни тераэлектронвольт. Их происхождение — отдельный интересный вопрос, но, как минимум, часть из них приходит из окрестностей сверхмассивных черных дыр.

Когда подобное нейтрино сталкивается с атомом, одной вылетевшей частицей дело не ограничивается. Дочерние частицы врезаются в новые атомные ядра, порождая новые частицы, и так далее. В результате возникает целый ливень заряженных частиц, испускающий достаточно сильное черенковское свечение.

Такой свет можно увидеть не только в сверхчистой, но и в самой обычной природной воде, озерной или морской. Да и фотодетекторы можно располагать не слишком часто: нескольких тысяч штук хватит на целый кубический километр мишени.

Время гигантов

В 1993 году на Байкале началось строительство российского нейтринного телескопа НТ-200. Уже через год, задолго до полного введения в строй, он стал первым черенковским телескопом в природной среде, уловившим космические нейтрино.

В 1998 году, когда закончилось строительство НТ-200, он имел 200 детекторов света (отсюда и число в названии). Эти датчики были закреплены на тросах на глубине более километра.

Сибирское озеро выбрано физиками не случайно. Во-первых, оно очень глубокое, а потому может вместить длинную вертикальную гирлянду с детекторами. Во-вторых, Байкал славится чистотой воды. Наконец, толстый байкальский лед позволяет зимой передвигаться по озеру аки посуху.

НТ-200 продемонстрировал, что концепция работает. Но крупные результаты, как водится, требуют крупных инструментов. И в 2011 году началось строительство Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector, то есть «Байкальский детектор гигантского объема»).

Этот телескоп построен по тому же принципу, что и НТ-200. На тросах, уходящих в глубину Байкала, вертикальными гирляндами висят датчики света. В каждой гирлянде 36 фотодетекторов, а восемь гирлянд образуют один кластер. Трудами российских физиков количество кластеров увеличивается каждую зиму. Сегодня их десять, то есть во всем телескопе 36х8х10=2880 фотодетекторов — в 14 раз больше, чем в НТ-200.

Сложно сказать однозначно, сколько кубических метров воды сканирует Baikal-GVD. Его «поле зрения», разумеется, не имеет резких границ, так что любая конкретная цифра будет условностью. Но объем, сообразно названию, так или иначе получается гигантским.

Такие масштабы ставят байкальский телескоп в один ряд с крупнейшим в мире нейтринным телескопом IceCube, принадлежащим США. Он сооружен в Антарктиде и использует не воду, а лед. По кубическому километру льда на глубине от 1,5 до 2,5 км разбросано 5160 датчиков света. Этот инструмент вступил в строй в 2011 году.

IceCube и Baikal-GVD — два крупнейших в мире детектора нейтрино, и велик соблазн спросить, какой из них лучше. Но ученые не любят таких вопросов. У каждого инструмента своя специфика. Например, антарктический лед прозрачнее байкальской воды, но в воде меньше рассеяние.

В IceCube больше датчиков, зато Baikal-GVD имеет лучший вид на плоскость Галактики, где расположены потенциальные источники космических нейтрино. И так далее, и тому подобное. Можно еще долго обсуждать детали, но в целом оба инструмента, так сказать, в одном весе. Да и вообще, у нас тут не боксерский ринг, а международная научная кооперация.

Кстати, о кооперации. Оба телескопа вместе с европейским инструментом KM3NeT, который строится сейчас в Средиземном море, составляют консорциум «Глобальная нейтринная обсерватория». Его цель — объединение наблюдений со всех трех установок.

Скажем, в декабре 2021 года байкальский и антарктический телескопы впервые зафиксировали нейтрино почти одновременно друг с другом. Это позволило точнее определить направление, с которого пришли энергичные частицы. И астрономы совершенно не удивились, обнаружив в этой точке неба активную черную дыру — блазар.

Нейтрино, пожалуй, самые капризные и трудноуловимые посланцы космоса. Построить огромный детектор, чтобы наблюдать на нем несколько частиц в год, в каком-то смысле обидно. Но не расточительно. Эти «редкие птицы» несут в себе информацию о Вселенной, которую нельзя получить никак иначе. И если мы хотим разобраться, как устроен мир, в котором нам довелось жить, не стоит пренебрегать этой возможностью.