"Ледяной куб" смотрит в глубины Вселенной

Среди всех стабильных фундаментальных частиц, известных сегодня ученым, самая, пожалуй, загадочная и уж, во всяком случае, самая труднонаблюдаемая - нейтрино. В природе существует три вида нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино), причем они способны преобразовываться друг в друга. Но хотя нейтрино порождаются ежесекундно в огромных количествах - как при бета-распаде, так и в процессе ядерного синтеза (например, на Солнце и других звездах, где водород превращается в гелий), мы их не замечаем.

Поскольку эта частица участвует лишь в слабом и гравитационном взаимодействиях, не имеет электрического заряда и обладает, хоть и отличной от нуля, но крайне малой массой покоя, она чрезвычайно редко взаимодействует с веществом. Каждую секунду любого из нас пронизывают, ничем себя не проявляя, триллионы нейтрино. Точно так же, то есть практически беспрепятственно, нейтрино пролетают и сквозь земной шар. По этой причине их регистрация сопряжена с огромными трудностями.

Первые удачные попытки детектировать нейтрино

Первые удачные попытки решения этой задачи предприняли американец Раймонд Дэвис-младший (Raymond Davis Jr.) и японец Масатоси Косиба (Masatoshi Koshiba), за что в 2002 году удостоились Нобелевской премии по физике. Их детекторы представляли собой огромные подземные резервуары, наполненные у Дэвиса - тетрахлорэтиленом, у Косибы - водой.

Эти работы впервые экспериментально подтвердили возможность регистрации нейтрино и тем самым заложили основы так называемой нейтринной астрономии, задача которой состоит в получении сведений о происходящих в космосе процессах путем изучения нейтринного излучения внеземных источников. Понятно, что для развития этого направления исследований понадобились новые, более совершенные и чувствительные приборы.

IceCube - крупнейший в мире нейтринный телескоп

Три года назад на Южном полюсе завершился монтаж самого крупного в мире нейтринного телескопа под названием IceCube, что в переводе с английского означает "Ледяной куб". Телескоп и в самом деле представляет собой кубический километр льда, то есть ледяной куб с ребром длиной в 1 километр, нашпигованный более чем 5 тысячами светочувствительных сенсоров-фотоумножителей, размещенных внутри стеклянных шаров размером с баскетбольный мяч. Причем этот куб "спрятан" в самой толще ледяного массива: если суммарная толщина ледяного покрова на Южном полюсе составляет без малого 3 километра, то верхняя грань куба-детектора находится на глубине 1450 метров, нижняя грань - соответственно на глубине 2450 метров.

На таких глубинах, во-первых, практически отсутствуют помехи, а во-вторых, лед чрезвычайно прозрачен, что является совершенно необходимым условием эффективной работы нейтринного телескопа.

Излучение Вавилова-Черенкова в толще льда

"Обычно нейтрино пролетают сквозь детектор совершенно бесследно, - говорит Кристиан Шпиринг (Christian Spiering), ведущий научный сотрудник Немецкого электронного синхротрона DESY в Цойтене близ Берлина. - Но иногда - очень-очень редко - нейтрино все же сталкивается с атомным ядром, и при этом образуются вторичные частицы. Такие события и регистрирует IceCube".

Единственный видимый след нейтрино - крайне слабая и мгновенно гаснущая вспышка так называемого излучения Вавилова-Черенкова. В частности, это свечение возникает при стремительном прохождении сквозь прозрачную среду - в данном случае лед - высокоэнергетического мюона, образующегося при взаимодействии нейтрино с атомным ядром. Улавливать эти едва заметные и чрезвычайно редкие вспышки должны светочувствительные сенсоры "Ледяного куба". Для их размещения в толще льда были использованы 86 скважин, но не пробуренных, а проплавленных струей горячей воды под давлением. Скважины с опущенными в них гирляндами сенсоров через несколько дней снова замерзли, ледяной массив полностью восстановился.

Итоги первых двух лет работы IceCube

Теперь ученые подвели итоги первых двух лет работы телескопа - их статья опубликована в журнале Science. За истекшее время было зарегистрировано почти 200 тысяч нейтринных событий - в среднем одно событие каждые шесть минут, - но почти все они были вызваны частицами низких энергий, то есть теми, что в огромном количестве испускаются Солнцем или образуются в верхних слоях атмосферы Земли под воздействием космических лучей. "Нас же, собственно, интересуют нейтрино не земного и не солнечного происхождения, а нейтрино высоких энергий, прилетевшие к нам из глубин Вселенной", - говорит Кристиан Шпиринг. Ведь такие нейтрино могут послужить источником ценной информации о породивших их сверхновых, пульсарах, черных дырах, активных галактических ядрах, гамма-всплесках и прочих подобных феноменах.

28 эпохальных нейтринных события... и еще одно

И ученым действительно удалось зарегистрировать такие космические нейтрино - в общей сложности 28 штук. Дилетанту этот результат может показаться скромным, но специалисты прекрасно понимают огромное значение открытия, подчеркивает Кристиан Шпиринг: "Теперь едва ли кто-то сможет усомниться в том, что мы зарегистрировали первые космические нейтрино - и тем самым открыли новое окно для изучения Вселенной".

Все 28 нейтрино космического происхождения обладали энергией свыше 30 тераэлектронвольт, а два из них - даже свыше 1000 тераэлектронвольт. Мало того, хотя в статье в Science об этом не написано, поскольку она охватывает результаты наблюдений лишь по май прошлого года, на IceCube тем временем было зарегистрировано нейтрино с энергией около 2000 тераэлектронвольт.

Для сравнения: Большой адронный коллайдер, самый мощный ускоритель частиц, в 2015 году должен выйти на уровень всего в 14 тераэлектронвольт.

Охота на нейтрино высоких энергий продолжается

"В перечне вопросов, на которые мы надеемся найти ответ с помощью нейтрино, на первом месте стоит вопрос о происхождении космического излучения высоких энергий, - говорит Кристиан Шпиринг. - Мы знаем, что энергия этого излучение может в миллионы раз превосходить ту, что мы можем получить на Большом адронном коллайдере. Но что разгоняет частицы до таких энергий, мы понятия не имеем".

Крайне интересно было бы, если бы оказалось, что несколько нейтрино высоких энергий прилетели из одного и того же направления - ведь это означало бы, что там расположен некий гигантский космический ускоритель частиц. "Похоже, что некоторый очень небольшой избыток нейтрино имеется в направлении центра нашей галактики, - говорит ученый. - Но этот эффект слишком незначителен, то есть вероятность, что мы имеем тут дело просто со статистической флуктуацией, довольно велика. Зарегистрированных "Ледяным кубом" нейтронных событий пока недостаточно, чтобы делать далеко идущие выводы. Возможно, года через два ситуация прояснится".