Частица государственной важности: зачем тратят миллионы на поиски нейтрино

Ученые, работающие в антарктической лаборатории IceCube Neutrino Observatory, обнаружили прилетевшие к Земле из далекого космоса особые частицы - нейтрино. Они обладают очень малой массой и не имеют электрического заряда, поэтому беспрепятственно проходят через любую материю. Источниками нейтрино являются высокоэнергетические события во Вселенной: взрывы сверхновых, черные дыры и процессы, происходящие в плотных ядрах больших галактик. Огромный поток нейтрино постоянно поступает к Земле, пронизывает нашу планету, но "поймать" их, в виду отсутствия взаимодействия с чем-либо - задача непростая. Тем не менее, на протяжении многих лет ученые пытаются выследить нейтрино, синтезировать и исследовать их в Большом адронном коллайдере, тратят на  изучение призрачных частиц космические средства. Так, только в этом году бюджет крупнейшей американской лаборатории по исследованию нейтрино - Ферми, составил $345 млн. А ведь она существует еще с 1967 года. Почему же вокруг нейтрино возникает такой ажиотаж, кому и зачем нужны эти неуловимые потоки космической энергии?

Интерес обусловлен особым свойством этих элементарных частиц - на них может воздействовать лишь гравитация и слабое ядерное взаимодействие. Именно отсутствие взаимодействия с другими веществами делает нейтрино очень перспективным средством передачи информации в военном секторе, космической отрасли и горно-добывающей промышленности. Чтобы обеспечивать связь в этих сферах сейчас используют длинные волны, которые далеко не всегда эффективны. К примеру, такие радиоволны способны проникать лишь на небольшую глубину до 20 метров, что делает невозможной связь с подводными лодками. Причем все радиопередатчики длинных волн, в какой бы сфере они не использовались, очень громоздки, они потребляют много энергии, уязвимы к перепадам температур и прочим условиям.

Использование для связи нейтрино смогли бы обеспечить идеальные коммуникации со спутниками, которые ушли в тень земли или других планет, сообщение с подлодками и шахтерами, как бы глубоко они ни находились. Кроме того, развитие технологий использующих нейтрино, откроет новые возможности в развитии нейтринной астрономии. Применение нейтринной связи пока невозможно по техническим причинам: чтобы использовать частицы, их нужно "поймать" и тщательно изучить, но большинство существующих детекторов не обладают для этого нужной скоростью и чувствительностью. Тем не менее, развитие технологий обещает в этом направлении большие перспективы.

В частности, недавно закончилось строительство огромного датчика нейтрино, которое продолжалось около десяти лет. На протяжении последнего месяца его уже активно используют специалисты лаборатории Ферми для исследований в рамках проекта NOvA (Neutrinos from the Main Injector Off-Axis Electron Neutrino Appearance) по поиску нейтрино. Недавно датчик NOvA, ширина и высота которого составляют 15 метров, а длина - 60 метров, записал первые данные: процесс колебаний нейтрино, переход этих частиц из одного вида в другой во время их полета от источника к датчику. Большая часть нейтрино, прошедших более 800 километров сквозь земные породы, трансформируются, превращаясь в совершенно другой вид - тау-нейтрино. Именно такой процесс зафиксировали ученые лаборатории Ферми, о чем сообщили на недавней конференции американского Физического общества.

Датчик NOvA будет собирать данные в течение шести лет. Предполагается, что за это время будет накоплен такой объем научных данных, который позволит использовать потоки нейтрино для создания революционных средств связи.

Еще больше приблизили человечество к разгадке тайн нейтрино специалисты IceCube Neutrino Observatory, огромной лаборатории в районе Южного Полюса, которые зафиксировали самый мощный в истории поток нейтрино. Обсерватория состоит из 86 шахт, пробуренных в толще льда на глубину почти 2,5 километров. В эти шахты опущены высокочувствительные фотодатчики, которые регистрируют свет, возникающий при столкновении высокоэнергетических нейтрино с молекулами воды, из которых состоит окружающий датчики лед. Несмотря на неуловимую природу нейтрино, эти частицы все же изредка сталкиваются с ядрами атомов материи, которую они пронзают на пути своего движения. Когда такое событие происходит, рождается частица, называемая мюоном. Эта частица перемещается быстрее скорости света в воде или льде, производя конусообразные световые волны, известные под названием излучения Черенкова. Движение этих волн показывает ученым траекторию движения изначальной частицы нейтрино, а некоторые из параметров этого излучения позволяют определить их характеристики.

Однако исследователи, работающие в обсерватории, заинтересованы отнюдь не в любом зафиксированном нейтрино. Большая часть этих частиц, обнаруживаемых детекторами, образуется в ходе ядерных реакций в Солнце или же при взаимодействии протонов высоких энергий с частицами в верхних слоях земной атмосферы. Ученые же стремятся обнаружить нейтрино, которые возникают в ходе высокоэнергетических процессов в далеком космосе. Различить эти нейтрино можно по количеству энергии регистрируемых мюонов: они гораздо мощнее. К примеру, всего с мая 2010 года по май 2012-го обсерватория "поймала" более 35 тыс. нейтрино, но  лишь около 20 из этих частиц обладали энергиями, указывающими на их космическое происхождение. В 2013 году исследователи IceCube Neutrino Observatory обнаружили с помощью телескопа IceCube миллиарды таких частиц, пронизывающих детектор лаборатории, но до сих пор не было доказано их происхождение. Как показали результаты исследований, это действительно нейтрино из глубокого космоса.

Сейчас ученые пытаются определить, откуда пришли эти нейтрино. По словам Альбрехта Карле, соавтора работы, описавшего свое открытие в журнале Physical Review Letters, до сих пор не удавалось поймать такое количество частиц, пришедших из одного источника на небе. Карле говорит, что теперь у ученых есть гораздо больше шансов "приручить" нейтрино, и человечество буквально стоит сейчас на пороге новой эры физики элементарных частиц.

Эксперименты по поиску космических нейтрино будут продолжаться. Так, в 2017 году в Средиземном море построят нейтринный телескоп KM3NeT, состоящий из 320 вертикально закрепленных в толще воды тросов с расположенными на них датчиками черенковского излучения.