Вселенная нейтрино

Впрочем, нам бояться не стоит: все это произойдет где-то через 22 миллиарда лет. По крайней мере, такой прогноз высказывает сотрудник Дартмурского колледжа в Нью-Хэмпшире Роберт Кодвелл, выдвинувший теорию «Большого разрыва». Согласно ей, властвующая во Вселенной темная энергия постепенно будет становиться все сильнее, и, в конце концов, разорвет все, что есть в мире обычной материи.

Разумеется, это лишь гипотеза, как, впрочем, и теория гравитации Эйнштейна, предрекающая существование своего рода прорех (или «кротовых нор», как их называют физики) в пространстве и времени. Пока что они возникают и исчезают так быстро, что обнаружить их невозможно. Но если темная энергия достаточно «окрепнет», и сможет поддерживать их в течение какого-то длительного времени, то это откроет перед людьми совершенно фантастические возможности, к примеру путешествия во времени.

Однако сегодня никто сказать не может, какое будущее на самом деле ожидает Вселенную — слишком много еще осталось неразгаданных тайн. В первую очередь речь идет о таинственных «темной энергии» и «темной материи», составляющих, как оказалось, около 95% всей массы Вселенной. То есть мы видим лишь 5% реально существующего в космосе! Теперь перед учеными стоит вопрос: а из чего же состоят невидимки?

По словам академика РАН Валерия Рубакова, речь может идти о совершенно новых типах частиц и явлений в физике микромира, еще не открытых в земных условиях. А не так давно группа ученых из университета штата Вашингтон (США) прямо заявили о существовании неизвестной ранее субатомной частицы — акселерона. По их гипотезе, именно при взаимодействии акселерона с еще одной, хоть и давно известной, но от этого не менее загадочной частицей — нейтрино — происходит расширение Вселенной и образование темной энергии.

Согласно этой гипотезе, на нейтрино воздействует некая новая сила, возникающая при его взаимодействии с акселеронами. Когда же эта сила пытается оттолкнуть нейтрино одно от другого, создавая напряжение, подобно тому, что появляется в растянутой резиновой ленте, и рождается темная энергия. Но чтобы убедиться в этом, нужно как следует изучить само нейтрино, возможности его взаимодействия с другими частицами, что пока что довольно сложно.

Дело в том, что у него очень незначительная масса (точно ее еще никто не установил и лишь предполагается, что она не больше одной миллионной массы электрона) и отсутствует заряд, из-за чего оно очень слабо взаимодействует с предметами, через которые проходит. Рождаясь в результате термоядерных реакций в звездах, нейтрино, словно невидимые волшебники, способны проникать через любые препятствия, в том числе и людей, практически не оставляя никаких следов! Взаимодействия с новоявленными акселеронами, утверждают американские физики, еще слабее — именно потому эти частицы не удалось до сих пор обнаружить даже наиболее сложными приборами. Но это «общение» реально существует, и его можно будет распознать в ходе экспериментов с нейтрино, проводимых во всем мире.

Исследования действительно ведутся масштабные. Скажем, в России только на первый этап международного мегапроекта «Нейтрино и нейтринная космофизика», рассчитанного до 2020 года, планируется выделить почти четыре с половиной миллиарда рублей. Каждая экономически развитая страна (или, по крайней мере, претендующая на это звание) имеет собственные подземные лаборатории, занимающиеся исследованиями в области нейтринной физики и нейтринной астрономии. В Европе действуют четыре крупные лаборатории и несколько небольших, свои лаборатории имеются в Японии, России (Баксанская нейтринная обсерватория на Кавказе), в США (сейчас там планируют сооружение большой национальной лаборатории, которая станет крупнейшей в мире), Канаде, Австралии, Корее, начинают строить китайцы и индусы. Подобные работы вот уже 30 лет проводятся и в Украине — в Институте ядерных исследований НАНУ, причем на достаточно высоком научном уровне, а полученные результаты могли бы стать гордостью физиков любой страны мира.

Постигать тайны мироздания приходится в достаточно экстремальных условиях: лаборатория спрятана глубоко под землей — на 430-метровой глубине в соляной шахте довольно живописного закарпатского поселка Солотвино. Потому ученые, добираясь на работу, внешне ничем не отличаются от шахтеров: та же спецодежда с касками и фонариками, а в качестве транспортного средства — обычная железная клеть, доставляющая физиков в огромную соляную камеру, где и расположено все оборудование. Зачем понадобилось забираться на такую глубину, рассказал заведующий отделом физики лептонов Института ядерных исследований НАНУ Федор ДАНЕВИЧ:

— В астрофизике частиц и, собственно, в понимании структуры и эволюции Вселенной ключевую роль играют нейтрино. Эти частицы обладают удивительным свойством: они практически не взаимодействуют с веществом. Из многих миллиардов нейтрино, которые каждую секунду проходят через наше тело, только одна, может быть, раз в месяц, с ним как-то взаимодействует. Понятно, чтобы изучать такие частицы, фиксировать столь слабые и редкие взаимодействия, нужны очень сложные детекторы, которые защищены от радиационного фона, присутствующего всегда и везде. Фон, как известно, формируют радиоактивные распады, космические лучи, радионаводки, и если поставить детектор на поверхности земли, то этот фон будет таким большим, что крайне редкие события взаимодействий нейтрино просто «утонут» в море посторонних сигналов. Здесь, под землей, за счет того, что подавляющая часть космических лучей поглощается толщей породы, а сама соль содержит очень мало естественных радиоактивных веществ, таких как уран или торий, радиоактивный фон раз в 30–50 ниже, чем, скажем, в обычной лаборатории в Киеве.

Идея создания лаборатории принадлежала прежнему руководителю отдела профессору Юрию Георгиевичу Здесенко. Еще совсем молодым и никому не известным он познакомился с главой нейтринного совета АН СССР академиком Бруно Понтекорво, который поддержал идею молодого ученого (тогда еще даже не кандидата наук!) построить в соляной шахте в Закарпатье подземную лабораторию. Поначалу планировалось, что в ней будут заниматься разработкой аппаратуры для различных военных проектов. Но не секрет, что советские ученые часто под видом разработок оружия занимались интересной, но достаточно далекой от обороны или нападения, фундаментальной наукой.

…Пройдя по длинным и извилистым коридорам шахты, мы заходим в огромную соляную камеру, стены которой сплошь расписаны замысловатыми узорами – слои пыли, оседавшей десятки миллионов лет назад на дно древнего моря, из которого затем и образовалось Солотвинское месторождение соли. Температура здесь круглый год, как на Канарских островах, +24 градуса по Цельсию. Собственно, на этом вся экзотика и заканчивается: на столах обычные компьютеры, осциллографы, электронные блоки регистрирующей аппаратуры, повсюду лампы (окошек-то нет) и пылезащитные боксы с инструментами. Чуть поодаль — небольшой свинцовый «домик», облицованный полиэтиленовыми кирпичами. Это и есть установка для исследования свойств нейтрино.

Вообще, чувствительный к свойствам загадочной частицы прибор довольно маленький. В центре — небольшие (массой около 300 граммов) кристаллы вольфрамата кадмия, выращенные в харьковском Институте сцинтилляционных материалов НАН Украины из изотопно обогащенного кадмия, произведенного еще в СССР. Это очень дорогой материал, (ориентировочно один грамм стоит около сотни долларов). Далее эти кристаллы окружают другими — уже из естественного кадмия. Когда кристалл поглощает попадающие в него частицы, то начинает светиться. Через световод этот свет попадает на фотоумножитель, который и регистрирует энергию частиц. Все остальное — слой сверхчистой меди, свинца, полиэтилена — дополнительная защита от вездесущей радиации.

— Вот с помощью такого детектора нам удалось обнаружить двухнейтринную моду двойного бета-распада, — поясняет Федор Анатольевич. — Этот процесс даже вошел в Книгу рекордов Гиннесса, как самый редкий из когда-либо зарегистрированных человечеством. Период полураспада этого ядра в миллиарды раз больше периодов полураспада естественных радиоактивных элементов, к примеру, урана или тория. Сейчас ведутся работы по изучению этого процесса: пока что двойной бета-распад зарегистрирован лишь для десяти изотопов.

Эксперименты, которые мы проводим в Солотвино, в настоящее время считают самыми важными для понимания свойств нейтрино. Их результаты позволят дать ответы на ряд ключевых вопросов физики элементарных частиц и астрофизики, в том числе — какова природа нейтрино, какая его масса, сохраняется ли лептонный заряд? Они важны и для развития теорий фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, а также космологии и астрофизики, в частности, для понимания процессов нуклеосинтеза и возникновения звезд, определения возраста и эволюции Вселенной.

Похоже на то, что именно нейтрино может ответить на вопрос, почему, собственно, существует наш мир. Почему, как уже выяснили, в момент рождения Вселенной количество материи было на одну миллиардную больше антиматерии? Видимо, именно свойства нейтрино и вызвали это маленькое нарушение равновесия, благодаря чему появилась Вселенная, Земля и все мы.

— По большому счету, кроме того, что нейтрино существует, ничего более определенного ученые сказать не могут? Даже «взвесить» его толком не удается?

— Кое-что мы о «невидимке» все-таки знаем. К примеру, то, что у него есть масса. Сейчас детей в школах учат, что масса нейтрино равна нулю — как у фотона. Однако совсем недавно ученые обнаружили, что масса у нейтрино все-таки есть. Это подтверждается тем фактом, что нейтрино осциллирует — превращается из одного вида в другой. Такие превращения просто невозможны с частицами без массы.

Конечно, нам не удалось увидеть тот вид двойного бета-распада, который непосредственно связан с массой нейтрино — сегодня его никто еще не видит. Но и из этого факта можно сделать определенные выводы о его свойствах. Иногда не совсем понятно: как, ничего не обнаружив, можно получить результаты. Но часто оказывается, что не видеть какой-либо процесс или объект намного важнее, нежели обнаруживать. Вспомните опыт Майкельсона-Морли: они тоже не увидели эфир, но из эксперимента были сделаны выводы, построена теория относительности Эйнштейна. (Здесь можно упомянуть и эксперимент Галилея, бросавшего ядра и пули с Пизанской башни: он не обнаружил зависимости времени падения от массы тела, что было в противоречии с тогдашними теоретическими представлениями, восходящими еще к Аристотелю. Можно сказать, что вся экспериментальная физика началась с отрицательного результата!). В нашем случае дело, по-видимому, обстоит так, что масса нейтрино еще меньше, и для того, чтобы ее увидеть, нужно увеличить размер детектора, сделать его еще более защищенным от внешнего и внутреннего фона, еще дольше проводить измерения.

— Результаты самого высокого мирового уровня были получены в очень трудные для украинской науки годы. Как это объяснить?

— В первую очередь, напряженной работой нашего коллектива. Бывало, мы работали из последних сил, в хорошо знакомых всем украинским ученым условиях постоянных невыплат зарплат и отсутствия денег на самое элементарное. Но очень важно, что мы всегда встречали понимание и получали поддержку со стороны как нашего института, возглавляемого академиком НАНУ Иваном Николаевичем Вишневским, так и Национальной академии наук. Нам выделили средства для ремонта и модернизации Солотвинской подземной лаборатории. Важность и перспективность наших работ быстро оценил Иван Матвеевич Неклюдов, академик-секретарь недавно созданного Отделения ядерной физики и энергетики НАНУ. Недавно в Академии сделан еще один важный шаг: по инициативе директора Главной астрономической обсерватории НАНУ, академика НАНУ Я. Яцкива предложена научно–техническая программа «Космомикрофизика», включающая исследования нейтрино и темной материи Вселенной, часть которых будет проводиться в Солотвино. Кроме того, в начале девяностых появилась возможность сотрудничать с нашими иностранными коллегами. Ведь нет науки украинской, американской или индонезийской, фундаментальная наука – явление общечеловеческое. Сейчас даже богатые страны не могут себе позволить делать что-либо в одиночку. Мы тут же воспользовались свободой, но не для того, чтобы уехать «туда» навсегда, а чтобы привлечь их ресурсы для эффективной совместной работы. В конце девяностых годов мы не только (как и многие наши коллеги) работали где-то на чужих установках, но и здесь, в Солотвино, проводили эксперименты, в которых участвовали физики из Флорентийского университета. Мы и сейчас сотрудничаем с учеными Италии, Франции, Великобритании, России, Кореи, Канады, Германии, Испании, США и даже далекой Австралии (благо, электронная почта позволяет общаться, даже не зная многих соавторов в лицо).

— Какие исследования вы проводите здесь, кроме поисков двойного бета-распада?

— Вообще говоря, то, что мы делаем, – называется в англоязычной литературе Astroparticle Science. По большому счету, это попытки понять эволюцию и строение Вселенной, изучая такие свойства элементарных частиц, которые человечество никогда не сможет исследовать даже на самых мощных ускорителях. Это поиски крайне редких, слабых и даже запрещенных в рамках современных теорий, явлений. В 2005 году мы начали разработку высокочувствительных детекторов для поиска частиц той самой загадочной темной материи Вселенной. Эти работы ведутся совместно с Оксфордским университетом (Великобритания) и Центром исследования темной материи Сеульского национального университета (Республика Корея). В ходе наших экспериментов иногда можно увидеть что-нибудь, хоть и не слишком новое, но ранее «незамеченное». Например, мы впервые обнаружили альфа-активность природных европия и вольфрама. В последнем случае речь идет о самой низкой удельной альфа-активности, которую до сих пор обнаруживало человечество — своеобразный рекорд, поставленный в содружестве с коллегами из Флорентийского университета. Помимо этого, мы ищем гипотетические процессы, которых вроде бы и не должно быть. К примеру, несохранение электрического заряда, которое может происходить, если (как предполагают некоторые современные теории) наше пространство не четырехмерно, а бесконечномерно, и электрон просто «проваливается» в те измерения, которых мы просто не видим. Вообще, у физиков есть стойкое ощущение, что существующая сегодня теория элементарных частиц весьма приблизительна. Словом, большинство открытий — впереди.

P.S. В нынешнем году серия работ ученых отдела физики лептонов ИЯИ НАН Украины Ф.Даневича, В.Третяка и В.Кобычева — «Экспериментальные исследования редких процессов в физике атомного ядра и элементарных частиц» выдвинута на получение престижной премии им. К.Синельникова, присуждаемой Национальной академией наук Украины за выдающиеся работы в области ядерной физики.