Звезды все еще были слабо видны в то утро четыре года назад, когда Скотт Кравиц впервые поехал на соляные шахты на юго-востоке Нью-Мексико. Тогда аспирант второго курса по физике, Кравиц готовился к путешествию на полмили ниже поверхности Земли.
Прибыв на объект, Кравиц прошел через охрану, надел комбинезон и защитное оборудование (включая портативный очиститель воздуха на случай пожара) и сел в контейнер с сетчатыми стенками, называемый клеткой. Двухэтажная конструкция, которая вмещает не более шести человек на каждом уровне, является единственным способом спуска в туннели ниже.
Это было не похоже ни на один лифт, на котором ездил Кравиц. Через несколько секунд его и его попутчиков поглотила тьма. Никто не произнес ни слова. Никто не включал фары. Мягкие звуки проносящегося мимо воздуха и дребезжание клетки были всем, что он мог слышать.
ПРОХОД ЧАСТИЦ: Подземный туннель в соляной шахте Нью-Мексико, где сейчас проводится эксперимент EXO-200. (Фото: Сотрудничество EXO-200)
«Это было похоже на медитацию», — вспоминает Кравиц. Поездка показалась мне длиннее, чем ее пятиминутная продолжительность. Кравицу не терпелось сойти на берег, но не из-за нервозности. Больше всего на свете он был взволнован тем, что лежало внизу.
Когда двери открылись, его встретила волна горячего, затхлого воздуха, густого от соленой пыли. Фары и верхнее освещение освещали раскопанные розово-серые стены и пол 250-миллионного запаса полезных ископаемых.
То, что привело Кравица в это отдаленное место под пустыней, не было ни геологией, ни наукой о земле. Не было это и захоронением отходов — хотя для этой цели в основном используется почти непроницаемый соляной слой, в котором хранятся бочки с радиоактивными отходами. Кравиц, доктор философии 17-го года, пришел в качестве члена исследовательской группы профессора физики Стэнфорда Джорджо Гратты, которая изучает неуловимые субатомные частицы, называемые нейтрино. Внизу, в шахтах, ученые пытаются обнаружить необычное событие, которое могло бы раскрыть тайны о строении всего, что нас окружает.
Маленькие Нейтральные
Нейтрино — это фундаментальная (или неделимая) частица материи, значительно меньшая, чем атом. Это всего лишь одна из 17 фундаментальных частиц, которые физики открыли на сегодняшний день. Другие включают электрон, знакомый по урокам химии в средней школе, и фотон, или частицу света, которая является единственной фундаментальной частицей, которую могут обнаружить наши глаза.
Каждая из этих частиц обладает особыми свойствами, и нейтрино не является исключением. Во-первых, это самая распространенная частица материи. Его название происходит от итальянского «маленький нейтральный», заключающего в себе как тот факт, что он очень маленький — даже для фундаментальной частицы — и что у него нет положительного или отрицательного электрического заряда.
Фото: Джорджио Гратта
«Нейтрино — это частицы, которые мы понимаем меньше всего», — говорит физик-теоретик Андре де Гувеа. «И они важны для понимания многих природных явлений». Профессор Северо-Западного университета, де Гувеа провел большую часть своей карьеры, изучая нейтрино и разрабатывая модели, чтобы объяснить, как они вписываются в наше понимание остальной Вселенной.
Нейтрино рождаются, когда ядро атома каким-то образом изменяется. Это изменение может произойти, когда атомы в радиоактивном материале разрушаются. Но это также может произойти, когда атомные ядра соединяются вместе (слияние) или разделяются (деление), два из наиболее энергетически интенсивных событий, известных человечеству.
В чистом помещении, похожем на трейлер, в глубине шахты команда Гратты следит за распадом радиоактивной формы элемента ксенона. Радиоактивный материал по своей природе нестабилен. По мере распада ксенона ядра внутри его атомов могут высвобождать другие частицы. Гратта и другие хотят посмотреть, возникают ли нейтрино, а затем уничтожают друг друга.
Некоторые теории предсказывают такую находку. Но если взаимодействие существует, его будет трудно обнаружить. «Вы имеете дело с очень редкими процессами», — объясняет Гратта.
Соляные шахты предлагают идеальное место для их проекта. На поверхности Земли нас постоянно бомбардируют субатомные частицы, которые было бы трудно отделить от набора данных эксперимента. Глубоко под землей слои соли и земли создают щит, который блокирует большинство нежелательных явлений от детектора ученых.
На данный момент эксперимент, называемый EXO—200, находится в своего рода гонке с несколькими другими экспериментами по физике элементарных частиц, которые имеют ту же конечную цель. «Мы были первыми, кто включил эти эксперименты», — говорит Гратта. «И, надеюсь, к этому лету мы будем впереди».
Ставки на их поиски высоки. Если нейтрино действительно могут нейтрализовать друг друга, они могут стать ключом к объяснению одной из загадок того, как мы появились. Физики признают, что когда встречаются две частицы одинаковой массы, но с противоположным зарядом, они могут столкнуться и не оставить после себя ничего, кроме энергии. Когда происходит такое событие, это означает, что одна частица была античастицей другой. Античастицы вместе образуют антивещество, и существование антивещества вызывает некоторые неудобные вопросы. Почти все частицы материи имеют аналоги из антивещества, и поскольку природа стремится к равновесию, многие ученые подозревают, что материя и антивещество были созданы одинаково на заре времен. Но если бы это было так, можно было бы ожидать, что эти двое просто уничтожат друг друга. Вместо этого мы существуем во вселенной, где доминирует материя.
Если нейтрино могут вести себя как свои собственные античастицы, это может помочь ученым расшифровать, как частицы материи стали превосходить по численности своих аналогов из антивещества. До сих пор поиски ни к чему не привели. Но команда EXO-200 не унывает. Независимо от того, видят ли они этот странный процесс антивещества, Гратта, Кравиц и их коллеги уже начали давать представление о загадочной частице. «У нейтрино есть ряд особенностей», — говорит Гратта. Они уже много раз удивляли ученых и обязательно удивят их снова.
ЧТО ВНУТРИ: Детектор эксперимента EXO-200 состоит из двух частей — центрального медного барабана (снизу), который будет заполнен ксеноном, и большой системы охлаждения для поддержания элемента в жидком виде. Детектор позволяет Гратте и его команде изучать нейтрино. (Фотографии: Сотрудничество EXO-200)
Оборотни
Каждую секунду через вас проходят триллионы нейтрино, но за всю жизнь только один или два могут действительно попасть в другую частицу в вашем теле. Они достаточно малы, чтобы редко сталкиваться с другими частицами, и из-за своей нейтральности они не реагируют на силы электричества и магнетизма. В результате они могут беспрепятственно перемещаться на большие расстояния, и их чрезвычайно трудно поймать. Почетный профессор физики Стэнфорда Стэн Войчицки, еще один поклонник нейтрино, объясняет, что эти частицы обладают другими любопытными свойствами. Например, нейтрино может быть любого из трех типов, или «ароматов», называемых электронными, мюонными и тау. «Путешествуя по атмосфере, они превращаются в другой аромат», — говорит Войчицки. С конца 90-х по 2000-е годы Войчицкий изучал эти преобразования.
Изменение формы не является чем-то неслыханным среди фундаментальных частиц, но это было неожиданно для нейтрино. Такие изменения возможны только благодаря квантово-механическому процессу, который требует, чтобы участвующие частицы имели массу. Тем не менее, «современная теория физики элементарных частиц в целом предсказывает, что масса нейтрино должна быть равна нулю», — говорит де Гувеа. Если бы ученые знали точную массу, физики-теоретики могли бы переработать существующие модели для построения новых, более всеобъемлющих теорий.
Эксперимент EXO-200 может оказаться подходящим для решения этой проблемы. Гратта объясняет, что если ученым удастся увидеть, как нейтрино ведут себя как их собственные частицы антивещества, они будут «автоматически измерять массу вовлеченных частиц». Это потому, что физики выяснили взаимосвязь между скоростью распада материалов и массой присутствующих нейтрино. Более тяжелые нейтрино, например, будут участвовать в более частых распадах, чем более легкие нейтрино.
В более широком смысле эксперимент EXO-200 проверяет две конкурирующие теории начала 20-го века о природе нейтрино. В одном из них, предложенном физиком-теоретиком Полом Дираком, все частицы могут находиться в одном из четырех состояний, которые связаны с их зарядом и тем, как они движутся. Но поскольку нейтрино нейтральны, другой теоретик, Этторе Майорана, предположил, что каждый тип нейтрино может иметь только два варианта. Если это так, он предсказал, что два варианта будут обладать противоположными качествами, и, следовательно, одна и та же частица может аннулировать себя, подразумевая, что нейтрино является своей собственной античастицей. (В июле физики из Стэнфорда и Калифорнийского университета в Ирвине продемонстрировали, что они могут создавать ситуации, в которых пучки энергии, подобные частицам, ведут себя как частицы, так и античастицы, добавляя дополнительный вес идеям Майораны.) «Итак, вот что нам нужно», — говорит Гратта. «Мы пытаемся определить, являются ли нейтрино частицами Майораны».
Вопросы о массе и разнообразии нейтрино не являются чисто академическими. Лучше понимая их черты и поведение, ученые также могут продвинуться в изучении явлений, которые их порождают. Нейтрино от Солнца, например, являются продуктом огненных процессов, происходящих в ядре этой звезды; обнаруживая эти нейтрино, ученые получают доказательства реакции, которую они иначе не могут наблюдать (см. боковую панель «Откуда берутся нейтрино?»).
Призраки в машине
В углу соляной шахты, вдали от хранилища отходов, находятся металлические контейнеры, установленные физиками EXO-200 для размещения их ярко-белой, ультратонкой «чистой комнаты». Контраст между темным, песчаным туннелем и экспериментальным пространством в стиле больницы разителен.
Как только они прибывают, ученые толпятся в чистой комнате, по трое за раз, чтобы переодеться из шахтерского снаряжения в специальные комбинезоны Tyvek, называемые костюмами кроликов. Эта униформа предотвращает загрязнение инструментов грязью, маслом, волосами и другими отходами. Большая свинцовая стена между физиками и самим детектором образует дополнительный радиационный барьер. Без этого даже обед ученого в мешке может значительно изменить показания детектора.
Детектор EXO-200 был собран в Стэнфорде и перенесен в шахты в 2007 году благодаря совместным усилиям ученых, которые в настоящее время охватывают 25 учреждений в семи странах. EXO — это аббревиатура от обсерватории обогащенного ксенона, и в ее основе лежит 200-килограммовый (440-фунтовый) резервуар, заполненный ксеноном. Радиоактивный ксенон распадается так медленно, что детектор может собирать данные только о нескольких событиях в год. Чтобы увеличить эти цифры, ксенон «обогащается», чтобы увеличить вероятность наблюдения интересных распадов. Это означает, что ученые удаляют изотопы, которые им не понадобятся, сохраняя при этом те, которые, как они ожидают, приведут к безнейтринному распаду.
Задача охоты на нейтрино с самого начала сводилась исключительно к вероятности. В 1930 году австрийский физик-теоретик Вольфганг Паули впервые предположил существование нейтрино. В то время он и его коллеги были озадачены. Несколько экспериментов показали, что радиоактивные элементы распадаются и выделяют электроны с гораздо меньшей энергией, чем ожидалось, учитывая используемые материалы. Это открытие можно было бы объяснить, предположил Паули, если бы другая частица — невероятно маленькая и без какого—либо заряда — также возникла в результате распада.
Он полагал, что шансы на то, что кто-нибудь сможет найти эту крошечную нейтральную частицу, были настолько малы, что он поставил против нее ящик шампанского. Говорят, он заметил: «Я совершил смертный грех теоретика. Я сделал предсказание, которое никогда не может быть проверено».
Тем не менее, в 1950-х годах американские физики Фред Рейнс и Клайд Коуэн, работающие в Лос-Аламосской лаборатории в Нью-Мексико, приняли вызов. В честь странной призрачной способности своей добычи они назвали экспериментальный проект «Полтергейст».
Рейнс и Коуэн построили гигантский для своего времени детектор размером 1 кубический метр. Поскольку нейтрино лишь изредка соприкасается с другими частицами, рассуждения сводились — и до сих пор сводятся — к тому, что физикам необходимо отслеживать очень большое количество материала в течение очень длительного времени, чтобы увеличить вероятность обнаружения нейтрино в действии. В 1956 году Рейнс и Коуэн подтвердили, что они видели взаимодействие нейтрино с протонами в резервуарах с хлоридом кадмия.
Как правило, «нейтрино попадает в детектор, и большую часть времени вы его не видите», — говорит Стэн Войчицки. «Но очень, очень редко это удовлетворит ваше любопытство и будет взаимодействовать». Когда это происходит, в зависимости от используемых материалов, можно производить и измерять свет, тепло или даже звук.
За последние полвека исследователи создали множество видов детекторов нейтрино, обнаружив в процессе три аромата и тот факт, что нейтрино преобразуются из одной формы в другую. Сегодня существует, по существу, два типа детекторов. Один улавливает частицы, которые попадают в эксперимент из разных источников, таких как звезды и электростанции. Ученые, участвующие в эксперименте Super-Kamiokande в Японии, например, наблюдают нейтрино от солнца и атмосферы, когда они взаимодействуют с частицами в детекторе, который содержит 50 000 тонн воды и расположен под горой.
Другой класс детекторов, включающий EXO-200, ссылается на эксперименты, которые впервые вдохновили Паули; они производят нейтрино внутри детектора с использованием радиоактивного материала, а затем измеряют энергию частиц, таких как электроны, созданные во время распада. Используя эту информацию, команда EXO-200 может затем определить, присутствуют ли нейтрино — или, как многие надеются, отсутствуют. Наблюдение безнейтринного распада указывало бы на «совершенно новый процесс», — говорит Кравиц. «Это подразумевает, что существуют и другие частицы, о которых мы не знаем».
Следующее поколение
На сегодняшний день до сих пор нет подтверждения того, что нейтрино служат своими собственными античастицами. Но команда Гратты сделала несколько интересных находок. В 2011 году исследователи наблюдали редкую картину распада, при которой ядро атома ксенона распадалось, высвобождая два электрона и два нейтрино. Это открытие свидетельствует об одном из самых медленных процессов распада, когда-либо изученных; в конечном счете потребуется секстиллионы лет, чтобы их общая выборка распалась таким образом, дольше, чем наша вселенная существовала на сегодняшний день.
Кроме того, исследователи продвинулись в поисках определения массы нейтрино. Основываясь на наблюдаемых ими медленных скоростях распада, физики EXO-200 могут сделать вывод, что нейтрино по меньшей мере в 3,5 миллиона раз легче электрона.
Чтобы узнать больше, ученые говорят, что пришло время для нового детектора. EXO-200 будет продолжать собирать данные только в течение еще полутора лет, и к этому моменту исследователи полагают, что они узнают столько, сколько смогут с помощью этого оборудования. Предлагаемый преемник, получивший название NEXO, будет содержать резервуар в 25 раз больше, чем в детекторе EXO-200. Способный вместить около пяти тонн жидкого ксенона, NEXO предоставит исследователям значительно больше данных о распаде для изучения, ускоряя скорость, с которой они смогут узнать об этих частицах, и позволяя им извлечь выгоду из того, что они узнали до сих пор.
Тем временем физики прониклись определенной любовью к своей соляной шахте. «Во многих отношениях это гораздо приятнее, чем другие шахты, на которых я бывал», — говорит Гратта. В то время как некоторые места оставляют ученых погрязшими в грязи, он отмечает: «соль очень полезна».
По общему признанию, это создает свои проблемы. Когда его просят предоставить фотографию из туннелей, Гратта объясняет, что соляная пыль и фотография со вспышкой не смешиваются — изображения испещрены яркими белыми точками. «Они похожи на звезды», — замечает он. Визуальное изображение — любопытное напоминание обо всех пылинках и частицах, которые мы иначе никогда не увидим.
Дейзи Юхас — научный журналист из Остина, штат Техас.
https://stanfordmag.org/contents/what-ghost-particles-might-tell-us-about-our-origins
Загрузка...
