Baikal Ice and Champagne

The March sun is sparkling in the crunchy Siberian snow and that is why it dazzles even more. A tractor is carefully crawling along the ice and pulling a huge human-sized milling cutter. It is getting its teeth into the one-metre-thick ice and cutting through it right to the water. It is being followed by a special vehicle, which is cautiously putting a thick cable into the just revealed Baikal water. The cable should be precisely laid onto the one-kilometre-deep lake bottom. The shore is still three kilometres away, which have to be covered till sunset.

This steampunk procession of singular vehicles from the 1980s is a part of the annual campaign of deployment of the BAIKAL-GVD, the giant Baikal Neutrino Telescope, the Russian flagship in neutrino astrophysics. Over the last five years, the facility has been enlarging thanks to selfless efforts of tens of scientists and engineers. Now, the BAIKAL-GVD is one of the facilities across the world able to detect ultra-high-energy neutrinos coming to the Earth from deep space. In 2021, data about neutrinos of this kind will be acquired from the Baikal bottom. 

 Running the BAIKAL-GVD cable to the shore

Why are physicists so interested in these unique particles? What questions about the structure of the microworld and about that of the Universe are they able to answer? What can we expect in the nearest future and what is the contribution of Russian researchers to neutrino physics and astrophysics? To answer all these questions, we have to speak, first of all, about what physicists still do not know about the constitution of our world.

 

To have a look beyond the horizon

Microworld investigation is a trip beyond the horizon. And as medieval seafarers went into the open ocean looking for new sea routes and unheard-of lands, so modern physicists do—they strive in their voyage through the ocean of unknown to get beyond the horizon and open still obscure facets of the physical world there. Seafarers of that epoch were not sure of their success. They did not know how far away behind the horizon new lands laid and what challenges they would face during their voyage. Despite this, they built ships, designed technologies, learned navigating in the open sea, and several decades later, all this entailed the Age of Discovery.

Present-day physicists also have their “good old continent”, the Standard Model, a compilation of our knowledge about the elementary particle world, formulated long ago and verified in experiments thousands of times. We already know that the Standard Model will not be the final word in microworld physics. Plenty of facts manifest that there are more complex physical laws at work in our Universe, and they constitute a foundation on which the Standard Model rests. This new layer of reality is conventionally called New Physics. Search for it and its investigation is the main objective of the entire modern particle physics.

When voyaging across the unknown ocean, momentary success cannot be guaranteed. The continent of New Physics is there, but it is unclear how it can be made out and how difficult it will be to reach it. However, physicists started their journey fully equipped with thorough knowledge. They have not only a flagship at the head of their vast fleet—the Large Hadron Collider encompassed with accelerators of moderate capabilities—but also an amazing opportunity to have a look into areas at which the fleet has not arrived yet. The appropriate tool is provided by neutrino physics and astrophysics.

Neutrinos are ghost particles of the microworld found everywhere in the Universe. They are also ubiquitous heralds coming from deep space and able to tell us about happenings at the very heart of cosmic cataclysms. Immense neutrino fluxes are released by our Sun revealing its core to astrophysicists, and that is beyond the capabilities of any other observation methods. Neutrinos go both from the interior of the Earth and from hot cores of nuclear reactors acting as an invaluable diagnostic instrument. What is more, neutrinos are our “spyglass” to view the very depths of the world. Neutrinos are astonishingly light particles. This lightness by itself, along with a wonderful ability to change their outlook while travelling, is considered as a message from the Universe, and we are unable to confidently decipher it yet.

Having thoroughly measured all the neutrino properties, we might finally grope the way towards the constitution of New Physics and find out what of its thousands of theoretical models is truly related to our world.

The year 2021 may become a beginning of a new stage in neutrino physics. During this year and some years later, several facilities will be constructed and commissioned, and also long expected results gained. And before we discuss the nearest neutrino future, let us return back to the middle of the last century.

  

Сила в слабости

Шампанское — это Новый год, праздники, смех и веселье. Вольфганг Паули, выдающийся физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике 1945 года, тоже любил этот напиток; говорят, даже несколько чрезмерно.

Никогда ни до, ни после 15 июня 1956 года Паули не пил шампанское с таким удовольствием. В этот день он получил телеграмму от американских физиков Райнеса и Коуэна. В телеграмме сообщалось, что они обнаружили новую частицу — нейтрино, которую Паули предсказал за 26 лет до этого. «Все приходит к тому, кто умеет ждать,» — ответил Паули и раскошелился на целый ящик своего любимого напитка. Великий теоретик заключил пари со своим приятелем — астрономом Вальтером Баадом, утверждая, что нейтрино никогда не будет обнаружено, — и в этот памятный день он пари проиграл. Паули не так уж сильно рисковал в этом споре: при любом исходе он был бы в выигрыше — либо финансовом, либо научном. Очень разумная стратегия, если подумать. Правда, как потом выяснилось, самим экспериментаторам Райнесу и Коуэну не досталось ни капли этого дорогого напитка, все выпили теоретики.

Пока вы размышляли и, возможно, решили, что неплохо бы заехать в супермаркет за шампанским, через вас пролетели квадриллионы (единица с пятнадцатью нулями) нейтрино, которые за 8 минут до этого родились в центре Солнца. Физики-нейтринщики любят хвастануть каким-нибудь таким большим числом, чтобы поразить воображение неискушенной публики. Число действительно фантастическое, но еще один важнейший факт о нейтрино заключается в том, что они очень слабо взаимодействуют с веществом, а значит нет ничего удивительного в том, что мы их не замечаем. В том же примере не более одного из каждых 10¹⁶ солнечных нейтрино натолкнется в теле человека хоть на один атом. Так что мы для нейтрино просто пустое место. И не только мы — если бы мы задались целью поглотить половину всех солнечных нейтрино, нам потребовалось бы залить свинцом все космическое пространство отсюда и до ближайших звезд.

Но если нейтрино столь слабо взаимодействуют, как же физики умудряются проводить с ними эксперименты? Собственно, Паули полагал, что нейтрино, вероятно, никогда не удастся даже зарегистрировать, не то, что экспериментировать с ними. Однако в этом он, к счастью, ошибался. Слабость взаимодействия нейтрино компенсируется огромными их потоками и большими массами используемых детекторов. Вероятность столкновения одного нейтрино с одним атомом безумно мала. Вероятность столкновения хоть какого-то из многих квадриллионов нейтрино с атомом — намного больше, но все равно крошечная. Но если взять не один атом, а большой детектор, да учесть еще огромный поток нейтрино, мы получим достаточно бодрый темп столкновений — по несколько в день, в час, в минуту. Это и есть ключевая идея для физики нейтрино. 
Баир Шайбонов / Baikal-GVD

Баир Шайбонов / Baikal-GVD Баир Шайбонов / Baikal-GVD

 

А каковы все же потоки и вероятности?

Сегодня физика нейтрино — прецизионная область исследований на переднем крае науки, изучающая как сами эти частицы, так и Вселенную с их помощью. Из всей многогранной нейтринной физики мы субъективно выбрали три ударных сюжета — в них открытия либо происходят прямо сейчас, либо могут случиться в ближайшем будущем. И во многих из них ключевую роль играют экспериментаторы и теоретики из России.

Три истории из нейтринной физики будущего

 

История первая. Нейтринные телескопы

Нейтринный телескоп — это детектор нейтрино, умеющий определять направление их прилета. История нейтринных телескопов берет свое начало с предложения академика Моисея Маркова, которое он впервые высказал на Рочестерской конференции в 1960 году. Нейтрино большой энергии, сталкиваясь с атомом вещества, способно превратиться в заряженную частицу — электрон или его тяжелые аналоги, мюон или тау-лептон. Эта частица тоже обладает огромной энергией и движется со скоростью, близкой к скорости света в вакууме. Поскольку скорость частицы больше скорости света в этой среде, такая «сверхсветовая» заряженная частица испускает черенковское излучение — голубоватый свет, который в 1934 году впервые наблюдал Павел Черенков в экспериментах под руководством Сергея Вавилова. За это открытие Черенков в 1958 году разделил Нобелевскую премию по физике с Игорем Таммом и Ильей Франком, которые дали теоретическое объяснение эффекта.

Черенковский свет без проблем регистрируется чувствительными фотодетекторами и используется во многих физических экспериментах. Но в нейтринных телескопах он играет особую роль. По яркости света и по времени прихода черенковских фотонов на разные фотодетекторы можно восстановить не только энергию, но и направление прилета нейтрино. Нейтринный детектор по черенковскому свету «видит», откуда прилетело нейтрино, — и именно поэтому он носит гордое название «телескоп». Таким прибором можно обследовать небо.

Но зачем вообще рассматривать небо в «нейтринных лучах», что они могут добавить к той картине, которую создают «обычные» телескопы? Вот конкретный пример. Жизнь Вселенной — это не просто спокойное величавое свечение звезд, но и многочисленные космические катаклизмы: взрывы, ударные волны, мощные струи вещества, вылетающие из центра галактик с околосветовой скоростью. Они способны разгонять протоны и легкие ядра до огромных энергий, во много раз превышающих возможности Большого адронного коллайдера. Такие частицы долетают до Земли и исправно регистрируются детекторами космических лучей. Но вот незадача: на пути к Земле все электрически заряженные частицы, такие как протоны и электроны, сильно отклоняются магнитными полями, и мы перестаем понимать, где находился их источник. Никаких астрономических наблюдений с протонами и электронами не выполнишь.

Свет — как видимый, так и невидимый, из всего диапазона электромагнитных волн — в магнитных полях не отклоняется, летит по прямой и служит прекрасной основой для астрономии. Но свет поглощается плотным веществом, из-за чего мы теряем существенную часть информации.

А нейтрино свободны от обоих недостатков. Они тоже рождаются в космических катаклизмах, летят по прямой и способны без проблем выбраться из самого эпицентра событий. Именно поэтому, регистрируя нейтрино особо высоких энергий можно заниматься особой разновидностью астрономии, дополняющей другие способы наблюдения за небом. Речь идет о нейтрино с энергиями в десятки и сотни тераэлектронвольт (ТэВ) и даже несколько петаэлектронвольт (ПэВ). Такой подход, когда мы исследуем далекие космические объекты сразу через все возможные источники волн и частиц, называется многоканальной астрономией. Нейтрино — критически важная компонента этого подхода.

Зачем так задирать планку по энергии? Чем плохи нейтрино меньших энергий? В конце концов, далекие звезды, как и наше Солнце, в огромных количествах испускают нейтрино с энергиями в мегаэлектронвольты (МэВ). А здесь идет охота за нейтрино с энергиями в миллионы и миллиарды раз больше.

Дело в том, что для того, чтобы нейтринная астрономия «заработала», требуется не только уметь регистрировать астрофизические нейтрино, но и отличать их от тех совершенно посторонних нейтрино, которые в огромных количествах рождаются в земной атмосфере при ее бомбардировке космическими лучами. Про каждое конкретное пойманное нейтрино вы не скажете, возникло оно в атмосфере или прилетело из далекой галактики. Но, если знать, как поток атмосферных нейтрино зависит от энергии, можно на его фоне найти астрофизический «излишек». Такое разделение удается сделать только для нейтрино очень больших энергий — десятки ТэВ и выше, — это область энергий, где атмосферных нейтрино становится совсем мало (но даже в этом случае оценивать долю «правильных», астрофизических нейтрино приходится статистически). Лишь в области энергий выше 1 ПэВ, где атмосферных нейтрино не остается, можно быть почти уверенным в космическом происхождении практически каждого из них.

К счастью, такие нейтрино действительно иногда прилетают к нам из космоса — хоть и очень редко. Однако для регистрации нейтрино такой огромной энергии требуется собирать черенковский свет с дистанции в десятки и сотни метров значит, сам детектор должен быть километрового размера. Кубический километр — это очень немало! Как такой детектор построить? Где установить такую емкость? Предложение Маркова состояло в том, что специально строить ничего и не надо, достаточно лишь погрузить множество фотодетекторов в природные резервуары и ждать, когда нейтрино попадется само.

Создание нейтринного телескопа — сложная задача, и первопроходцы вложили в разработку технологии много денег, сил и времени. Создатели первого такого проекта, американского DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector Project), стартовавшего в 1976 году, планировали развернуть нейтринный телескоп в Тихом океане вблизи Гавайских островов. К сожалению, после почти двадцати лет попыток проект так и не увенчался успехом и был закрыт. Существенно большего добились три команды, построившие уже в 1990-х годах нейтринные телескопы в озере Байкал (НТ-200), в антарктическом льду на Южном полюсе (AMANDA) и в средиземном море (Antares). Эти три пионерские группы — советская, американская и европейская, соответственно — и определили направление и уровень научных исследований в нейтринной физике в мире.

Первое поколение нейтринных телескопов обладало скромными размерами. Нейтрино умеренно высокой энергии установки исправно регистрировали, но выделить в общем потоке настоящих космических «посланников» не могли.

Прорыв случился совсем недавно, и отличился здесь нейтринный телескоп нового поколения IceCube на Южном полюсе. IceCube — это буквально «ледяной кубик» объемом в кубический километр с вмороженными в толщу антарктического льда фотодетекторами. Детектор-исполин — наследник проекта AMANDA, который к середине 2000-х пусть и не поймал астрофизические нейтрино, но полностью доказал работоспособность технологии по установке и многолетней работе фотодетекторов в глубине антарктического ледника. По результатам работы AMANDA стало ясно, что достаточно довести объем просматриваемой толщи льда до кубического километра — и открытие должно состояться. Развертывание IceCube заняло несколько лет и завершилось в декабре 2010 года.

С тех пор, год за годом, росла статистика пойманных IceCube нейтрино, и в данных начали проступать намеки на астрофизическую составляющую потока. Наконец, в 2013 году международный коллектив физиков сообщил о регистрации нейтрино с энергиями в сотни ТэВ и даже выше ПэВ — и такие частицы уже точно должны быть астрофизическими. Так одномоментно родилась нейтринная астрономия: у человечества появился новый канал наблюдения за Вселенной. Живая, увлекательная история научного поиска, завершившаяся этим открытием, рассказана в вышедшей недавно книге «Охотники за нейтрино».

И именно с этим открытием связано возрождение байкальского нейтринного проекта и началом строительства нейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector, детектор гигатонного объема). Это совершенно новый детектор нейтрино, пришедший на смену еще советскому детектору НТ-36, также расположенному в водах Байкала, но сильно устаревшему и потерявшему на фоне успехов IceCube свою актуальность.

Над созданием нового детектора сейчас работает международная группа физиков и инженеров под руководством ученых из Института ядерных исследований РАН в Москве и Объединенного института ядерных исследований в Дубне. В Байкале, на глубине от 750 до 1600 метров, должны расположиться вертикальные гирлянды со множеством оптических модулей, которые будут регистрировать черенковское излучение и определять направление прилета нейтрино.

В 2015 году началось строительство первого кластера детекторов «Дубна», были размещены 288 оптических модулей на восьми вертикальных гирляндах. Это довольно много: для сравнения, в девяностых годах прошлого века в пионерском эксперименте НТ-200 для развертывания в полтора раза меньшего числа модулей понадобилось целых шесть лет. Сейчас, благодаря новым технологиям, хорошему оснащению и финансированию создание нейтринного телескопа идет гораздо быстрее. Уже 2017 году был введен в эксплуатацию второй кластер, в 2018 году — третий, а начиная с 2019 года, Baikal-GVD расширяется по два кластера в год.
Самая крупная структурная единица Baikal-GVD — кластер. На 2020 год детектор имеет семь кластеров, расположенных на расстоянии 300 м друг от друга. Каждый кластер состоит из 8 вертикальных гирлянд, на которых висят стеклянные оптические модули, по 36 на каждой гирлянде. Для масштаба показана Останкинская телебашня. Байкальский нейтринный телескоп — самое высокое сооружение в нашей стране.

К сегодняшнему дню байкальский нейтринный телескоп включает уже семь кластеров с суммарным объемом в треть кубического километра. В 2021 году к установке прибавятся еще два кластера, в результате чего объем детектора вырастет до 0,45 км³. Надо отметить, что речь идет не про инструментальный, а про эффективный объем регистрации нейтрино с энергиями выше 100 ТэВ. Соответствующий объем эксперимента IceCube — вовсе не 1 км³, как может показаться, а всего 0,4 км³ — так что в следующем году по этому параметру байкальский телескоп уже должен обогнать телескоп из Антарктики.

 

История изучения нейтрино в глубинах Байкала

Баир Шайбонов / Baikal-GVD

Впрочем, не в одном объеме дело. При сравнении Baikal-GVD и IceCube надо помнить, что черенковский свет в этих двух детекторах идет сквозь совершенно разные среды. В слоистом спрессованном антарктическом льду свет летит далеко, но быстро рассеивается в разные стороны. В байкальской воде он затухает чуть быстрее, но зато хорошо «держит» исходное направление. Поэтому в байкальском нейтринном телескопе угловое разрешение астрофизических нейтрино будет заметно лучше, чем на IceCube. Это будет телескоп пусть и с меньшей светосилой, но с лучшим разрешением, что критически важно для нейтринной астрономии.

 

Что «видит» IceCube, а что — Baikal-GVD?

Одновременно с созданием байкальского нейтринного телескопа в Средиземном море на смену эксперименту Antares с его скромным объемом 0,02 км³ должна прийти тройка детекторов KM3NeT, которые готовит представительная международная коллаборация научно-исследовательских организаций из 18 стран на четырех континентах, в том числе и из России. Проект Antares, скорее всего, будет остановлен в 2021 году, но уже сейчас установлены и работают первые гирлянды KM3NeT.

Наконец, совсем недавно возник и новый тихоокеанский проект P-ONE, над которым работают несколько университетов и научных центров Германии, Канады и США. Детектор будет размещаться у побережья Канады; его первая часть будет развернута в 2023-2024 годах, а весь детектор установят примерно к 2030-му. Каждый из этих приборов будет иметь объем порядка кубического километра — это самые большие детекторы частиц, которые когда-либо создавало человечество. Но еще более впечатляющим станет их объединение в глобальную нейтринную сеть GNN. Базируясь в разных частях света и покрывая разные области неба, они будут дополнять друг друга и выведут нейтринную астрофизику на новый уровень, сделают ее полноправной компонентой современной многоканальной астрономии. За новостями GNN можно следить на русском и английском языках по ссылке.

Кстати, говоря уже собственно об астрономии: есть все шансы, что именно в 2021 году окончательно прояснится, откуда из далекого космоса прилетают к нам такие нейтрино. Астрофизики-теоретики давно предполагали, что нейтрино столь высоких энергий могут возникать в квазарах — в активных ядрах далеких галактик, которые бурно излучают не только свет, но и мощные радиоволны, а также рентгеновское или гамма-излучение. Там, в невообразимых для нашей галактики условиях, внутри струй вещества, летящего с околосветовыми скоростями, протоны разгоняются до огромных энергий, а затем, через каскад вторичных процессов, производят и нейтрино. Если релятивистская струя направлена прямо на Землю — ладно, будем скромнее, если она направлена на нашу галактику, — излучение будет казаться ярче, а регистрируемые на Земле энергии частиц дополнительно возрастут. Такие квазары, с мощной струей, направленной прямо в нашу сторону, называются блазарами. Именно они у астрофизиков проходят главными «подозреваемыми» в распылении высокоэнергетических частиц по Вселенной.

Как только IceCube обнаружил первые астрофизические нейтрино, астрономы попытались отыскать повторяющиеся точечные источники: не бьет ли кто-то по нам прицельной нейтринной очередью? Были и попытки сопоставить самые мощные одиночные нейтринные события с известными квазарами. Увы, первый наскок успеха не принес: никакого явного изолированного источника нейтрино не обнаружилось.

Но летом 2018 года IceCube вновь появился на первых полосах с сенсационным результатом. Сообщалось, что нейтрино с кодовым номером IceCube-170922A и энергией около 300 ТэВ пришло, по всей видимости, от блазара из созвездия Ориона с непримечательным названием TXS 0506+056. Благодаря наблюдениям космического гамма-телескопа Fermi-LAT, тут же выяснилось, что блазар в этот момент находился в фазе активной вспышки в гамма-диапазоне. Более того, подняв данные прошлых лет, исследователи из IceCube раскопали еще несколько нейтрино меньших энергий, которые прилетали примерно с того же направления, причем их появление коррелировало с гамма-активностью блазара. Вот она, первая ласточка многоканальной астрономии! Впрочем, статистическая значимость связи этих нейтрино с этим конкретным блазаром все же недостаточна для железобетонного открытия по стандартам современной астрофизики, да и новых ярких примеров такой связи с тех пор не поступало. Но может быть, не там, или не так, искали?

В январе 2020 года российские астрофизики из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, МФТИ и ИЯИ А.В. Плавин, Ю.Ю. Ковалев, Ю.А. Ковалев и С. В. Троицкий обнаружили новую связь между астрофизическими нейтрино и блазарами — уже не на уровне отдельных источников, а коллективно. Они взяли всю опубликованную статистику IceCube по нейтрино с энергиями выше 200 ТэВ и нанесли направления их прилета на карту неба. Рядом с этими направлениями обнаружилось немало известных квазаров, что само по себе, конечно, еще не доказывает связь. Но вот что интересно: квазары, соседствующие с направлениями прихода нейтрино, оказались в среднем более яркими в радиодиапазоне, чем среднестатистические квазары на небе. К тому же, моменты прибытия нейтрино зачастую совпадали с радиовспышками от этих квазаров. Похоже, радиоизлучение, а вовсе не гамма-активность квазаров — вот ключ к астрофизическим нейтрино! Квазар TXS 0506+056, всколыхнувший сообщество в 2018 году, был активен в обоих диапазонах излучения, что, похоже, и навело тогда астрофизиков на неверный след.

В сентябре 2020 года та же группа астрофизиков, дополнив статистику новыми данными, подтвердила найденную связь (послушайте рассказ об этом исследовании от одного из авторов работы). К аналогичному выводу стали приходить и зарубежные группы, исследовавшие данные других радиообсерваторий. Да и сам детектор IceCube продолжает подкидывать новые примеры в реальном времени. Так, 30 ноября 2020 года появилось автоматическое оповещение (циркуляр GCN 28969) о регистрации нейтрино с энергией около 200 ТэВ — и на следующий же день выяснилось, что в пределах примерно одного градуса от направления его прихода находятся два радиоярких блазара.

По всей видимости, в 2021 году, с появлением новых данных и результатов анализа, статистическая значимость корреляции окрепнет настолько, что можно будет однозначно сказать: существенная часть всех астрофизических нейтрино рождаются в блазарах с мощным радиоизлучением в центральной области. Не исключено, что данные по астрофизическим нейтрино, которые вот-вот начнут поступать с Baikal-GVD с его великолепным угловым разрешением, поставят окончательную точку в этом вопросе. Одним словом, нейтринная астрофизика вступила в период бурной юности, и грядущий год станет важным этапом ее взросления.

 

История вторая. Квест измерения массы

Несмотря на полвека исследований и несколько Нобелевских премий, мы до сих пор не знаем, какая у нейтрино масса. В 1970-е годы, когда создавалась Стандартная модель, все три известных сорта нейтрино считались безмассовыми — то есть, частицами с нулевой массой. Создатели Стандартной модели гордились тем, насколько элегантно их теория запрещает нейтрино иметь массу, отличную от нуля. Сейчас, десятилетия спустя, гордиться уже нечем. Экспериментаторы за эти годы обнаружили, что три разновидности нейтрино имеют различающиеся массы, и даже измерили разности квадратов их масс (про это ниже). Но сколько весит каждый сорт нейтрино по отдельности — по-прежнему неизвестно.

Такая странная ситуация сложилась из-за того, что нейтрино безумно легкие — и поэтому для них не срабатывают те методы, которые используются для других частиц. Даже самое тяжелое нейтрино весит в миллионы раз меньше электрона; его масса не превышает долей электронвольта. Сколько весит легчайшее — вообще неизвестно; может быть — ноль, может быть нет. И это все никак не объясняется Стандартной моделью. Массы нейтрино — «окно» в Новую физику.

Теоретики предложили уже сотни моделей Новой физики, в которых, на основе гипотез разной степени смелости и проработанности, дается объяснение малым массам нейтрино. Некоторые из этих теорий предсказывают существование новых тяжелых частиц, за которыми способен охотиться Большой адронный коллайдер. Другие обнаруживают неожиданные связи между физикой нейтрино и эволюцией всей Вселенной в целом. Про некоторые из них рассказывал в своем недавнем интервью классик нейтринной физики Самоил Михелевич Биленький, многие годы работавший в Дубне.

Бета-распад трития на гелий-3, электрон и антинейтрино

Экспериментальное измерение массы хоть кого-то из нейтринной тройки станет рывком вперед в современной физике частиц. Но как вообще можно измерить их массу? Эти легкие и неуловимые частицы не удается ни остановить, ни накопить, и поэтому физикам приходится полагаться исключительно на косвенные методы.

Вот один из них, самый перспективный. При бета-распаде нестабильного ядра, например, трития, нейтрон превращается в протон, а из ядра вылетают электрон и антинейтрино. Антинейтрино улетает прочь, штучные нейтрино мы поймать не в состоянии, но зато можем отловить электрон и измерить его энергию. В каждом конкретном акте распада энергия электрона может быть разной. Но, проследив за электронами от многих миллионов распадов, мы можем определить ее верхнюю границу, узнать, до каких энергий электроны «добивают», вылетая из ядра. Это граничное значение, измеренное с исключительной точностью, и позволит вычислить массу нейтрино.

Эксперименты такого типа проводились уже давно. В 1983 году троицкие физики В.М. Лобашев и П.Е. Спивак предложили новый метод для отлавливания как можно большего числа электронов от распадов ядер. Почти четверть века спустя троицкий эксперимент выдал результат: масса нейтрино по-прежнему неизвестна, но она точно не превышает 1,8 эВ.

 

Как именно работает метод измерения массы нейтрино?

Эта технология стала стандартной, перекочевала в XXI век и используется в установке KATRIN в Университете Карлсруэ в Германии, передовом на сегодняшний день эксперименте в этой области. Основа этого эксперимента — огромная китообразная цистерна, в которой создается то самое хитрое магнитное поле. Оно втягивает электроны в цистерну с того конца, где установлен источник, и аккуратно перемещает в противоположный конец, где измеряется их энергия. По дороге электроны тормозятся, и до самого конца долетают только те, у которых начальная энергия была близка к максимально возможной.

Проект KATRIN готовился почти двадцать лет, производство началось в 2010 году, монтаж — в 2016-м, а набор данных стартовал только 2018 году. Год назад, в ноябре 2019 года, были опубликованы первые результаты эксперимента. Массу нейтрино все еще измерить не удается, но ограничение сверху уже улучшено: теперь мы знаем, что масса нейтрино меньше 1,1 электронвольт. Первый сеанс работы продлился лишь четыре недели, никаких сенсаций и не ожидалось. Главное, что эксперимент заработал — остается запастись терпением и дождаться первых результатов на большой статистике. В ближайшие годы, возможно, именно в 2021 году, такие данные должны быть обнародованы. Положительный результат, пусть даже с небольшой статистической значимостью, станет поворотным событием в нейтринной физике.

Надо сказать, что, параллельно с исполинской установкой KATRIN, идет разработка и иных идей по прецизионному измерению энергии электронов. Так, в Вашингтонском университете шаг за шагом реализуется американско-германский проект эксперимента скромных размеров с непритязательным названием Project 8. В нем энергию электронов предполагается измерять по радиоизлучению, которое они испускают, вальсируя в магнитном поле. В 2015 году команда исследователей смогла уверенно зарегистрировать радиоизлучение от одиночного электрона в магнитном поле и даже отследить постепенное уменьшение энергии со временем. В 2018 году исследователи повторили те же измерения с электронами, вылетающими при бета-распаде ядер трития. Ожидается, что в ближайшие годы погрешности будут уменьшаться, и, вполне вероятно, скромный Project 8 скоро сможет потягаться с исполинской установкой KATRIN.

Еще более сильные ограничения на массу нейтрино можно установить из космологических наблюдений в рамках существующей модели эволюции Вселенной. Если бы масса нейтрино была равна 50 эВ, наша Вселенная сейчас сжималась бы в точку вместо наблюдаемого расширения. Поэтому даже без специальных экспериментов можно уверенно утверждать: масса всех сортов нейтрино в сумме заведомо меньше 50 эВ. Прецизионные космологические данные, полученные, в том числе, спутником-обсерваторией Planck, позволяют установить верхний предел на суммарную массу всех нейтрино на уровне 0,15 эВ. Ожидается, что, после набора и анализа всей статистики KATRIN, это ограничение удастся улучшить или напрямую измерить массу нейтрино.

 

История третья. Осцилляции

Представьте себе автогонки «Формула 1» — но только в квантовом исполнении. Вот с поул-позиции стартует Льюис Хэмилтон, чемпион мира. Со второго места стартует Макс Ферстаппен, который уверен, что он ни в чем Льюису не уступает. Где-то в середине стартовой решетки оказался Себастьян Феттель, блиставший еще несколько лет назад, но сейчас отошедший в тень. Старт! — болиды рванули вперед, и Хэмилтон стал круг за кругом уверенно наращивать отрыв от преследователей.

Поначалу все предсказуемо. Но затем вы, к своему изумлению, замечаете, что Хэмилтон постепенно превращается в Феттеля, Феттель — в Ферстаппена, Ферстаппен — в нечто среднее между Даниилом Квятом и Сергеем Сироткиным, которого вообще не было на старте! Вы протираете глаза и видите, что через пару кругов Хэмилтон снова материализовался на первом месте. Но ненадолго: спустя какое-то время он вновь превращается в комбинацию нескольких гонщиков. И лишь когда лидер пересекает финишную черту, вы обнаруживаете в машине совершенно постороннего пилота.

В повседневной жизни это покажется бредом. Но именно это и происходит в «нейтринных гонках»: нейтрино самопроизвольно меняют свою идентичность на лету!

Когда нейтрино рождаются в распадах ядер или частиц, они несут с собой «свидетельство о рождении» — отметку, что за сорт частиц участвовал в процессе их рождения: электрон или его более тяжелые собратья, мюон и тау-лептон. Если нейтрино родилось в паре с электроном, то это электронное нейтрино, если в паре с мюоном — мюонное и так далее. Но прямо в процессе своего движения, хоть внутри вещества, хоть в вакууме, эта идентичность постепенно меняется. Нейтрино, рожденное как электронное, на некотором расстоянии от точки рождения будет частично электронным, частично мюонным, частично — тау. Пролетев еще немного, снова соберется в преимущественно электронное. И такая «смена нейтринных лиц» будет продолжаться довольно долго. Это и есть нейтринные осцилляции, потому что описанная закономерность появления разных «лиц» нейтрино — почти периодическая. Но рано или поздно осцилляции прекратятся. Что же увидят экспериментаторы когда это произойдет — электронное, мюонное или тау нейтрино? Ни одно из них! Вместо этого они обнаружат с некоторой, не зависящей ни от энергии, ни от расстояния вероятностью, нейтрино с определенной массой.

Что же тут происходит и возможно ли в этом разобраться без специальной подготовки? Да, возможно и это не так уж сложно.

Дадим сначала более точное, но менее образное объяснение, а следом добавим образов и кругов на воде, чтобы вернуть потерявших нить повествования к чтению. Итак, первое, что важно понять, это то, что электронное, мюонное и тау нейтрино не имеют определенной массы. Строго говоря, мы их даже не должны называть частицами. До сих пор, более 90% физиков-нейтринщиков ошибочно называют их частицами, но делают это, скорее, по привычке. Что же тогда представляют из себя эти нейтрино? Это специальные квантовые состояния, являющиеся комбинациями состояний нейтрино с определенными массами. Звучит сложновато, но этому есть аналогии и в классическом мире. Если представить себе нейтрино с определенной массой как волну со строго определенной частотой колебаний (аналог энергии нейтрино с определенной массой), то суперпозиция волн с разными частотами уже не будет иметь строго определенной частоты. Напротив, возникнет более сложное колебание, называемое биением, в котором амплитуда будет меняться периодическим образом с частотой, задаваемой разностью частот складываемых волн. Вот это биение и есть самый близкий аналог электронного, мюонного или тау нейтрино. Природа устроила так, что рождаются именно такие состояния «биения», а не состояния со строго определенной массой (или частотой).

Дальше все просто. Пока такой «паровозик» волн, рожденный, например, как электронное нейтрино, распространяется в пространстве от области рождения к детектору, он периодически меняет свою форму или «лицо». Установив детектор на расстоянии, соответствующем половине периода осцилляций, экспериментаторы обнаружат максимально возможную примесь другого типа нейтрино, мюонного или тау. Если поставить детектор на расстоянии в два раза дальше, то они снова увидят только электронное нейтрино, рожденное в источнике. Така картина будет повторяться и далее периодическим образом.

Теперь добавим кругов на воде, рассмотрев такую аналогию. Представим себе двух рыбаков, ловящих рыбу и стоящих рядом друг с другом. Допустим, они обсуждают какой-то сложный философский вопрос, типа «куда катится мир» или что-то простое, вроде основ квантовой механики. Им повезло и они оба одновременно поймали по рыбе, причем почти в одной и той же точке. Рыбаки так увлеклись разговором, что не заметили почти касающихся поплавков. Рыбы дернули за крючки и по поверхности воды пошли кругами волны. Предположим, что амплитуды этих волн и периоды их колебаний разные, что разумно, поскольку рыбы им попались немного разные. И вот, на поверхности воды возникло сложное волнение-биение, расходящееся кругами из общего центра. Это и есть аналог того, что физики называют электронным нейтрино (другую форму суперпозиции волн назовем мюонным или тау нейтрино). Очевидно, что на разных расстояниях это волнение выглядит по-разному и кое-где похоже на другую комбинацию, которую физики назвали бы мюонным (или тау) нейтрино. Понятно, что такие «взаимопревращения» будут повторяться периодическим образом, пока круги от рыб не разойдутся на такие расстояния, что, из-за разной скорости расширения, просто перестанут перекрываться. Тогда исчезнут сложные волнения и останутся только волны с определенными периодами — это аналоги нейтрино с определенными массами. Эта простая аналогия помогает понять суть явления осцилляций нейтрино.

Пытливый читатель возможно подумал: «хорошо, это вроде бы понятно. Но в каком пространстве перекрываются нейтринные волны? Что играет роль воды, по которой распространяются эти нейтринные круги?» Это происходит в абстрактном квантовом пространстве, в котором складываются и интерферируют амплитуды возможностей. Это самый настоящий квантовый эффект, происходящий на расстояниях в километры, сотни и тысячи километров. Если бы этого эффекта не было в природе, его следовало было бы специально выдумать, чтобы объяснять студентам принципы квантовой физики и интерференции состояний.

Иллюстрация: Игорь Иванов

Гипотеза о существовании такого явления как осцилляции нейтрино была пророчески высказана гениальным Бруно Понтекорво, учеником другого великого итальянца — Энрико Ферми. Понтекорво более сорока лет проработал в Дубне, заложив одну из самых мощных школ нейтринной физики в нашей стране и в мире. Гипотеза Понтекорво опередила время — на тот момент не было никаких экспериментальных указаний в ее пользу. Со временем, такие указания стали появляться и к началу 2000-х стало окончательно ясно — это не умозрительные построения, а реальный физический эффект. Благодаря этому эффекту были успешно решены две крупные нейтринные загадки, терзавшие физиков десятилетиями. В 2015 году именно за открытие осцилляций нейтрино была присуждена Нобелевская премия по физике, а также премия «Прорыв в фундаментальной физике» за 2016 год.

Сегодня изучение осцилляций — пожалуй, самое активное направление в экспериментальной физике нейтрино. У нас есть контролируемые источники нейтрино разных энергий (ядерные реакторы и ускорители) и крупные чувствительные нейтринные детекторы. Мы можем измерять, с какой вероятностью электронное нейтрино остается электронным, а с какой — превращается в другие сорта. Мы можем исследовать, как эти вероятности меняются при удалении от источника или при увеличении энергии нейтрино. Мы можем проводить опыты с нейтрино и с их античастицами и искать различие между характером их осцилляций. Можем даже проверять гипотезу, не превращаются ли обычные нейтрино в какой-то совершенно новый сорт — так называемые стерильные нейтрино.

Осцилляции нейтрино позволяют выяснить, насколько различаются массы трех нейтринных сортов с определенными массами. Общую массу измерить не удается, но разницу их квадратов — пожалуйста. Однако до сих пор неизвестна «иерархия» между их массами: два легких и одно потяжелее — или два потяжелее и одно легкое. Эта упорядоченность, наряду с точными значениями массы, очень важна для того, чтобы выяснить, откуда вообще у нейтрино ненулевая масса.

Декабрь 2020 года. Бассейн эксперимента JUNO, в котором будет установлен центральный детектор — сфера диаметром 40 метров, заполненная жидким сцинтиллятором и просматриваемая двадцатью тысячами 20-дюймовых и двадцатью тысячами 3-дюймовых фотоумножителей. JUNO

Ситуация начнет меняться в ближайшие годы. В 2021 году, после шести лет строительства, в Китае будет запущен нейтринный эксперимент нового поколения JUNO. Гигантский сферический детектор диаметром около 40 метров (с 14-этажный дом!), заполненный жидким сцинтиллятором массой двадцать тысяч тонн будет располагаться на расстоянии 53 км от нескольких ядерных реакторов.

Жидкий сцинтиллятор служит мишенью для антинейтрино и, одновременно, той средой, которая реагирует вспышкой света на каждое столкновение антинейтрино с атомом вещества. Точнее, двумя вспышками с очень характерным разделением по времени, что позволяет избавиться от ненужного шума и фона. Свет регистрируется фотоумножителями. Этих фотоумножителей в детекторе JUNO — двадцать тысяч больших (диаметром полметра) и двадцать пять тысяч маленьких (диаметром около 10 см). Все вместе они составляют огромный фасеточный глаз, зорко следящий за каждым фотоном, рожденным внутри сферы. 40-метровая сфера утоплена в бассейне с водой, который тоже просматривается со всех сторон фотоумножителями. Ни один посторонний космический мюон не должен пролететь незамеченным, чтобы своей ионизацией не сбить с толку детектор. И все это спрятано глубоко под горой.

Все это делается не просто так. Эксперимент JUNO сможет измерять энергию нейтрино с рекордной точностью — лучше 3%. Большое расстояния до реакторов позволит увидеть не один период осцилляций, чем довольствуются прочие эксперименты, а пару десятков. Такое количество осцилляционных циклов позволит обнаружить небольшие отличия в паттернах осцилляций, связанные с иерархией масс нейтрино. Коллаборация JUNO включает 650 человек; ключевую роль в ней играют физики из Китая, Европы и ОИЯИ (Дубна).

Запуску в 2021 году предшествовала огромная подготовительная работа: в течении нескольких лет под горой прокладывались вертикальные и горизонтальные туннели и шахты, проводились экскавации экспериментальных залов. По масштабам такой объем работ напоминает труд сынов Дурина в одной известной саге. Самый главный зал и бассейн будут готовы к июлю 2021 года, и тогда же начнется самый ответственный этап — сборка исполина-детектора. Будет установлена вся необходимая инфраструктура, включая кондиционирование воздуха, будет вводиться в строй специальная установка по очистке жидкого сцинтиллятора от радиоактивных примесей — детектор JUNO должен будет видеть только антинейтрино от ядерных реакторов и ничего лишнего. После этого начнется сборка центрального детектора — сферы с фотоумножителями, установка электроники, заполнение его жидким сцинтиллятором, установки мюонного вето (детектора, замечающего мюоны и отсекающего их от нейтринных сигналов) и многое другое. Ответ на, казалось бы, такой простой вопрос — «какое нейтрино тяжелее: первое или третье?» — требует многолетней работы, выхода за горизонт технологически возможного на сегодняшний день. Так работает наука.

Коронавирус вносит коррективы: приходится придумывать, как собирать отдельные модули дистанционно. Но конкуренцию в науке никто не отменял: если что-то не успеет открыть JUNO, это могут открыть другие. Поэтому, испытание пандемией делает ученых еще более изобретательными в достижении своих целей.