аличие нейтринных осцилляций, разгадав тайну пропавших солнечных нейтрино, которые Рэй Дэвис наблюдал почти пятьдесят лет назад.
После церемонии вручения Нобелевской премии в Стокгольме в 2015 году Макдональд посетил многие институты, которые сделали эту победу возможной. Среди них был Оксфорд, где он праздновал вместе со своими многочисленными коллегами в отделанной деревянными панелями столовой Мэнсфилд-колледжа. Хотя я не занимаюсь физикой нейтрино, мне посчастливилось присутствовать на этом мероприятии. Между основным блюдом и десертом Макдональд взял слово. «Никто не сталкивается с нейтрино в повседневной жизни, – сказал он. – Может быть, однажды нейтрино изменит один из ваших атомов, и вы даже не узнаете об этом». Теперь мы знаем, что нейтрино – это самая распространенная частица во Вселенной, которая нам известна. Десятки миллиардов из них проходят через вас каждую секунду, но их очень-очень трудно обнаружить. SNO – это невероятный пример того, на что физики элементарных частиц готовы пойти, чтобы понять такие неуловимые частицы, как нейтрино.
Благодаря экспериментам Макдональда и Кадзиты мы теперь знаем, что нейтрино могут менять тип с течением времени и расстояния. Все это кажется очень странным. Возможно, лучшая аналогия, которая описывает это явление, была предложена Эмили Коновер из Чикагского университета[215], которая сравнивала нейтрино с Золушкой, отправляющейся на бал в своей карете. Она начинает свой путь в чем-то, что определенно похоже на карету, но чем ближе она к дворцу, тем выше вероятность, что ее карета превратится в тыкву. В терминах квантовой механики мы можем сказать, что карета одновременно является и тыквой, и каретой, и все зависит от того, на каком участке траектории вы ее наблюдаете. Если бы Золушка путешествовала на электронном нейтрино, есть шанс, что к тому времени, когда она доберется до бала (или детектора), она окажется на мюонном или тау-нейтрино.
Эти осцилляции требует – с математической точки зрения, – чтобы у нейтрино была небольшая масса, но мы все еще не знаем, какое нейтрино самое тяжелое, и точно не знаем, какова масса каждого из них. У других частиц не наблюдаются осцилляции; по-видимому, это свойство характерно только нейтрино. Все, что мы знаем, – это то, что если сложить все три массы вместе, сумма будет все равно в миллион раз легче электрона. Мы не знаем, почему нейтрино такие легкие.
Нейтрино не участвуют в сильном или электромагнитном взаимодействии – только в слабом и гравитационном. С точки зрения нейтрино вещества вообще почти не существует, это всего лишь несколько электронов, вращающихся в пространстве. Из-за этого их очень трудно обнаружить, однако это также делает их ключевым инструментом для исследования слабого взаимодействия без помех со стороны электромагнитного и сильного взаимодействия. Со временем это понимание привело к созданию пучков нейтрино, приводимых в движение ускорителями частиц (пучки протонов создают пионы, которые затем распадаются на мюоны и нейтрино), и Нобелевской премии 1988 года Леона Ледермана, Джека Стейнбергера и Мелвина Шварца, которые первыми установили различия между электронными и мюонными нейтрино (третий тип, тау-нейтрино, был обнаружен в эксперименте 2000 года в Фермилабе).
Сегодня мы также знаем о других необычных свойствах нейтрино, которые, по-видимому, отличают их от всех других частиц. Например, большинство частиц могут быть «левыми» или «правыми», но все нейтрино – левые, а все антинейтрино – правые. Хиральность частиц означает направление их вращения и то, как оно соотносится с направлением движения частицы. Сожмите руки в кулаки: даже если вы направите большие пальцы в одном направлении (направлении движения), то пальцы левой и правой рук будут изогнуты в противоположных направлениях – это сродни хиральности частицы.
Мы так и не выяснили, почему нейтрино не могут быть как левыми, так и правыми. Что мы знаем точно, так это то, что во Вселенной существует множество источников нейтрино. В 1987 году в результате многочисленных экспериментов были обнаружены нейтринные всплески сверхновой, что дало начало новой области нейтринной астрономии. В звезде фотоны света постоянно взаимодействуют, поглощаясь и переизлучаясь атомами. Фотонам может потребоваться 100 тысяч лет, чтобы добраться от ядра звезды до поверхности. Однако нейтрино беспрепятственно улетают в космос, позволяя нам заглянуть в сердце Солнца и сверхновых звезд, чего не могут другие частицы. За пределами нашей галактики в космосе создаются чрезвычайно высокоэнергетические частицы, и весьма вероятно, что нейтрино однажды станут посланниками, которые научат нас, как работают эти космические ускорители частиц. Возможно, мы даже сможем скопировать этот механизм в лабораториях на Земле.
Нейтрино образуются и гораздо ближе к нам. Бета-распад происходит также в недрах Земли, производя антинейтрино[216]. Детектор Борексино – эксперимент, предназначенный для поиска таких геонейтрино (наряду с солнечными нейтрино), – расположен в лаборатории в глубине горного массива в Гран-Сассо, Италия. Общими усилиями 100 физиков из Италии, Соединенных Штатов, Германии, России и Польши пытаются выяснить, какая часть тепла Земли приходится на радиогенное тепло, которое выделяется в недрах планеты в результате радиоактивного распада в основном таких элементов, как калий-40, торий-232 и уран-238. Найти ответ на этот вопрос невероятно важно для геологов, поскольку тепло управляет почти всеми динамическими процессами на Земле, от вулканов до землетрясений, и эти эксперименты дали толчок совершенно новой области исследований – нейтринной геофизике.
Помимо интересных новых областей науки и увлекательных вопросов, в настоящее время мы не имеем прямого применения нейтрино в нашей повседневной жизни. Когда я намеревалась писать о проекте «Полтергейст» и его последователях, я знала, что на этом этапе мне придется это признать. Но все же нейтрино настолько важны для общей истории физики элементарных частиц, что не написать о них было бы непростительно.
Нейтрино – классический пример исследований, движимых любопытством, которые, по-видимому, не имеют никакого практического применения. По сравнению с быстрым электроном, который взаимодействует с веществом посредством электромагнитной силы, или нейтроном, который взаимодействует с атомными ядрами посредством сильного ядерного взаимодействия, беззарядное и почти безмассовое нейтрино похоже на едва заметное облачко частицы, которая почти ни с чем не вступает в контакт. Тем не менее, оглядываясь на уже знакомые нам эксперименты, мы понимаем, что не всегда очевидно, какое применение найдет то или иное открытие.
Многие открытия, которые мы уже видели, были преждевременными по сравнению с технологиями того времени: поначалу синхротронное излучение не казалось полезным, как и электрон. Фотоэлектрический эффект использовался лишь отчасти на протяжении десятилетий. Ускорители частиц изобретались не для получения медицинских изотопов или лечения рака. Никто не ждал этих открытий с нетерпением, кроме физиков, которые их совершали, и даже тогда открытия не всегда были преднамеренными. Хотя вполне вероятно, что нейтрино никогда не будут столь же непосредственно полезны, как электроны, знания, которые мы почерпнули из них, важны, и – что кажется невероятным – в разработке есть несколько возможных применений.
На шахте Боулби на севере Англии Британия совместно с Соединенными Штатами в настоящее время проводит новый эксперимент под названием WATCHMAN (от англ. WATer CHerenkov Monitor of ANtineutrinos – Черенковский водный детектор антинейтрино)[217]. Проект будет использовать детектор нейтрино для дистанционного мониторинга ядерных реакторов путем обнаружения создаваемого этими реакторами потока нейтрино. Этот проект мог бы внести уникальный вклад в мировую безопасность, предоставив надежный способ проверить, соблюдаются ли договоры о нераспространении ядерного оружия. Поскольку нейтрино трудно остановить, скрыть действующий ядерный реактор от такого детектора не получится.
Нейтрино также могут косвенно помочь нам перейти от использования ископаемого топлива и ядерных реакторов деления к управляемому термоядерному синтезу, чтобы в будущем иметь обильный, безопасный и низкоуглеродный источник электричества. Термоядерные реакторы воссоздают ядерные реакции, подобные тем, которые происходят на Солнце, но не способные «выйти из-под контроля», однако для запуска подобных технологий мы должны быть абсолютно уверены в нашем понимании ядерной физики. Отчасти это понимание пришло из экспериментов с солнечными нейтрино Рэя Дэвиса, «Супер-Камиоканде» и SNO, которые доказали, что наша модель образования нейтрино на Солнце верна.
В будущем, возможно, найдутся прямые применения нейтрино и тем знаниям о них, которыми мы располагаем. Благодаря своей способности беспрепятственно преодолевать огромные космические расстояния почти со скоростью света, нейтрино могут даже однажды стать своего рода системой космической связи. Если на одной из тысяч открытых нами экзопланет существуют какие-то развитые цивилизации, то, вполне вероятно, они общаются друг с другом посредством нейтрино. Это больше похоже на научную фантастику, но в 2012 году нейтринный эксперимент под названием MINERvA (от англ. Main Injector Neutrino ExpeRiment to study v-A interactions – Эксперимент с нейтрино от главного инжектора для изучения v-A взаимодействий) в Фермилабе пытался это реализовать. С помощью протонного ускорителя двоичным кодом был закодирован пучок нейтрино, затем его отправили через полмили породы на детектор и успешно расшифровали[218]. Подобная технология может быть полезна и на Земле – например, для подводных лодок, сообщающихся через воду, которая искажает радиоволны. С помощью нейтрино можно общаться не только через воду, но и напрямую через центр Земли.