Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей

Решив впервые попытать счастья в этой охоте, Дэвис установил 3800-литровый бак с жидким безводным моющим средством (тетрахлоридом углерода) рядом с небольшим ядерным реактором, имевшимся в самой Брукхейвенской лаборатории. Дэвис знал, что нейтрино редко взаимодействуют с материей, поэтому выждал несколько недель, надеясь, что за это время вполне может произойти парочка реакций, а затем измерил объем накопившегося аргона. Результаты были неутешительными: не удалось зафиксировать никакого дополнительного аргона, кроме того, что мог образоваться в жидкости под действием космических лучей. Всякие признаки нейтрино отсутствовали. Дэвис вновь поставил такой опыт в 1955 г., на этот раз соорудив более крупную модель аппарата и установив его рядом с более мощным ядерным реактором в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина. Кстати, именно там ставили свой эксперимент и Рейнес с Коуэном. Но опять же ничего у Дэвиса не получилось. Итак, Дэвис не смог достичь успеха при помощи метода, предложенного Понтекорво, а Рейнес и Коуэн отловили изворотливую частицу уже в следующем году, применив вместо хлорсодержащего наполнителя сцинтиллирующую жидкость и ФЭУ. Но и для Дэвиса игра была далеко не окончена. Теперь, когда Рейнес и Коуэн доказали реальность нейтрино, Дэвис решил поймать те из них, которые прилетают к нам от Солнца через толщу земных пород, а не образуются в ядерных реакторах.

Дэвис знал, что нейтрино должны быть важнейшим побочным продуктом ядерных реакций, генерирующих солнечную энергию, – ведь за несколько предыдущих десятилетий астрофизики уже достаточно полно описали, как именно устроены недра нашего светила. Первую важнейшую гипотезу, пролившую свет на механизм образования солнечной энергии, выдвинул в 1920 г. британский астроном Артур Эддингтон. Он предположил, что этот механизм может быть связан с ядерными реакциями. Один из коллег Эддингтона по Кембриджу установил, что масса атома гелия чуть меньше, чем суммарная масса четырех атомов водорода. Эддингтон полагал, что, когда в ядре Солнца четыре ядра водорода в результате ядерного синтеза образуют одно ядро гелия, небольшая масса, которая «теряется» в результате, на самом деле превращается в энергию, согласно эйнштейновскому уравнению E = mc2. Конечно, догадка Эддингтона была блестящим озарением, но он не раскрыл деталей механизма подобных реакций. Кто-то еще должен был описать такую ядерную реакцию, которая, с одной стороны, обеспечивала бы наблюдаемую яркость Солнца, а с другой – не шла слишком быстро (ведь при бурных ядерных реакциях Солнце бы давно выгорело).

Ханс Бете, разносторонний физик-теоретик, работавший в Корнеллском университете города Итака, штат Нью-Йорк, взялся исследовать механизм солнечной ядерной печи. Бете родился в 1906 г. в Страсбурге, который в тот период входил в состав Германской империи, а сейчас находится на территории Франции. Отец Бете был врачом, а мать – талантливым музыкантом, пока практически не потеряла слух, переболев гриппом. Вероятно, в результате болезни она страдала от приступов депрессии, и родители Бете в конце концов развелись. С четырех лет Ханс увлекался числами, а в возрасте четырнадцати самостоятельно освоил математический анализ. Кроме того, он рано научился грамоте и исписывал тетрадки собственными сочинениями. Правда, в детстве у Бете была странная привычка: он писал одну строку слева направо, а вторую – справа налево (именно таким письмом пользовались древние греки в VII в. до н. э.). К моменту окончания средней школы Бете уже гораздо больше интересовался физикой, чем математикой, так как математика, на его взгляд, «доказывает очевидные вещи». Проучившись два года в университете Франкфурта-на-Майне, Бете отправился в Мюнхен, где собирался продолжить образование под руководством харизматичного Арнольда Зоммерфельда (подобно Вольфгангу Паули, прибывшему в Мюнхен несколькими годами ранее).

Бете проявил исключительный талант к теоретической физике, с отличием окончив аспирантуру. Часть следующего года он провел в Риме, работая под началом Ферми, которым восхищался. В письме к своему бывшему научному руководителю Зоммерфельду Бете отмечал: «Бесспорно, величайшее чудо Рима – это Ферми. Невозможно описать, как он мгновенно находит решение для любой поставленной перед ним задачи». Ферми научил Бете быстро делать глубокие выводы из ориентировочных расчетов – такой подход к физике казался гораздо менее формалистичным, чем методы Зоммерфельда, усвоенные в Мюнхене.

Бете вернулся в Германию в 1932 г., получив место преподавателя в университете, но потерял работу год спустя, так как его мать была еврейкой, а Гитлер ввел расистские законы, не позволявшие евреям занимать государственные должности. Подобно многим другим ученым еврейского происхождения, Бете вскоре оказался в Америке, где стал профессором Корнеллского университета. Здесь он превосходно чувствовал себя в атмосфере научной взаимопомощи и продолжал исследования в области ядерной физики. В этот период Бете совершил поступок, который возмутил многих его коллег: разорвал помолвку с Хильдой Леви, с которой познакомился еще во Франкфурте. За долгие годы знакомства Ханс и Хильда стали очень близки. Причиной разрыва стали яростные претензии матери Хильды, причем скандал разразился всего за несколько дней до свадьбы. Друг Леви, великий датский физик Нильс Бор, был настолько обескуражен, что много лет избегал Бете.

В начале 1938 г. Бете и Чарльз Критчфилд, который тогда был аспирантом Университета Джорджа Вашингтона, изучали цепочку ядерных реакций, которая сегодня называется «протон-протонный цикл». Такой цикл – один из путей превращения водорода в гелий в звездных недрах, сопровождающийся высвобождением энергии. Бете и Критчфилд вычислили частоту, с которой происходят акты синтеза двух протонов, преодолевающих взаимное электрическое отталкивание. В результате образуется дейтрон – слабо связанное ядро, состоящее из протона и нейтрона. Когда один из участвующих в реакции протонов превращается в нейтрон, он испускает позитрон и нейтрино. Исследователи установили, что вскоре дейтрон захватывает еще один протон и превращается в ядро гелия-3. На заключительном этапе цикла два ядра гелия-3 сливаются в стабильное ядро гелия-4 и при этом испускают два протона. В сущности, Бете и Критчфилд открыли цепную ядерную реакцию, в ходе которой четыре протона (то есть четыре ядра водорода) превращаются в одно ядро гелия-4, излучая при этом фотоны (энергию), позитроны и нейтрино. В такой картине позитроны и электроны должны аннигилировать, с образованием высокоэнергетических гамма-лучей. Фотоны этих гамма-лучей пробьют себе путь из глубин Солнца, преодолевая слой за слоем, и через сотни тысяч лет достигнут поверхности звезды. К тому времени фотоны потеряют львиную долю своей энергии, превратившись в видимый свет. Нейтрино, в свою очередь, должны беспрепятственно ускользать с Солнца и достигать Земли примерно через восемь минут, поскольку они движутся практически со скоростью света.

Протон-протонный цикл ядерных реакций, при котором в ядре Солнца гелий превращается в водород. В ходе цикла выделяются гамма-лучи и образуются нейтрино

Однако Бете и Критчфилд располагали недостаточно точными данными о температуре в ядре Солнца. Выведенная ими оценка скорости образования частиц оказалась гораздо выше, чем фактическая «производительность» Солнца. Но в марте 1938 г. Бете, будучи на научном собрании в Вашингтоне, узнал замечательные новости: оказалось, что, по последним расчетам астрофизиков, температура в недрах Солнца должна быть гораздо ниже, чем предполагалось ранее. Бете понял, что при новой оценке температуры его расчеты гораздо лучше согласуются с наблюдениями, и решил исследовать все различные варианты превращения водорода в гелий, происходящего в глубине звезд.

Вооружившись лишь ручкой и бумагой, Бете открыл альтернативную цепную реакцию, которая сегодня называется «CNO-цикл». «CNO» – химические символы углерода, азота и кислорода. Эта реакция хорошо вписывалась в наблюдаемую картину. Позже Бете вспоминал: «Рассказывают, что я догадался об углеродном цикле, когда ехал домой из Вашингтона на поезде. Это не так. Но, вернувшись в Итаку, я действительно стал размышлять о том, как образуется энергия в массивных звездах». Не прошло и двух недель после окончания конференции в Вашингтоне, как Бете уже разработал этот цикл в деталях. Цикл начинается с атома углерода, поглощающего ряд протонов (иными словами, ядер водорода). В результате углерод превращается в азот, а азот – в кислород. Ядро кислорода, в свою очередь, испускает ядро гелия, в результате чего кислород вновь становится углеродом. Этот способ превращения водорода в гелий, сопровождающийся выделением энергии, очень изящен, причем углерод в данном случае играет роль катализатора. В ходе ядерных реакций, состоящих из CNO-циклов, также образуются нейтроны. Вся проблема заключается в том, что для устойчивого CNO-цикла требуются температуры выше 20 млн градусов. Таким образом, он описывает образование энергии в более массивных и горячих звездах, чем Солнце. Бете заключил, что сияние звезд-гигантов обусловлено CNO-циклом, а такие звезды, как Солнце, светят благодаря протонно-протонному циклу.

Если теория Бете об образовании солнечной энергии была верна, то Солнце должно было представлять собой обильный источник нейтрино. Но в статье «Источники энергии звезд» (Energy Production in Stars), опубликованной в 1939 г., Бете не упомянул, что для проверки этой теории можно было бы попытаться отловить солнечные нейтрино. В тот период нейтрино еще воспринимались как теоретический конструкт, поэтому неудивительно, что Бете предпочел о них умолчать. Даже в пророческом докладе Понтекорво от 1946 г. солнечные нейтрино упоминаются лишь вскользь. Однако возможность заглянуть в недра Солнца, изучив солнечные нейтрино, распалила любопытство Рэя Дэвиса.

На самом деле Дэвис пытался обнаружить солнечные нейтрино еще в ходе эксперимента, поставленного в Брукхейвене. Детектор, который он использовал, и близко не обладал чувствительностью, которая для этого требовалась, однако Дэвис вычислил ориентировочное максимальное количество нейтрино, ежесекундно прилетающих к нам от Солнца, и указал эти данные в своей публикации. Один физик решительно отверг предложенную Дэвисом оценку, заявив: «Не могу себе представить научную статью, автор которой описал бы такой эксперимент: физик забирается на гору, оттуда пытается дотянуться рукой до Луны. Ему это не удается, из чего физик делает вывод, что расстояние от вершины до Луны больше двух с половиной метров». Такой скепсис не смутил отважного экспериментатора. Да, первый опыт Дэвиса был очень малым шагом, но тем не менее очень важным.

Самая большая сложность, с которой столкнулся Дэвис, заключалась в следующем: большинство нейтрино, образующихся в ходе протон-протонного цикла, обладали слишком малой энергией, поэтому не могли достаточно сильно ударить атом хлора и превратить его в аргон. Таким образом, обнаружить их в эксперименте Дэвиса было невозможно. Однако Дэвис не оставлял надежды, полагая, что не все нейтрино одинаковы и некоторые должны обладать достаточной энергией, чтобы детектор на них отреагировал. В частности, он знал, что время от времени третий этап протон-протонного цикла протекает «не по правилам»: вместо столкновения двух ядер гелия-3 (с образованием гелия-4) происходит столкновение гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется бериллий-7. В свою очередь, бериллий-7 может прореагировать с протоном и стать бором-8. Изотоп бор 8 нестабилен; он распадается в бериллий-8 и при этом испускает позитрон и нейтрино. Именно такой нейтрино должен обладать достаточной энергией, чтобы его можно было зафиксировать в эксперименте Дэвиса. К радости Дэвиса, в 1958 г. физики из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне установили, что такая альтернативная реакция происходит в тысячу раз чаще, чем предполагалось ранее. Двое астрофизиков – Вилли Фаулер из Калифорнийского технологического института и Аластер Кэмерон, в тот период работавший в канадской лаборатории на реке Чок-Ривер, – осознали всю важность этого открытия для отслеживания солнечных нейтрино и предупредили Дэвиса, что его шансы на успех возросли.

Воодушевившись добрыми новостями, Дэвис в конце 1959 г. вновь решил поохотиться на солнечные нейтрино. На этот раз он установил детектор в известняковой шахте Барбетон в штате Огайо. Глубина шахты составляла более 700 м, поэтому Дэвис рассчитывал, что ему удастся избавиться от надоедливых космических лучей, которые в иных условиях перекрывали сигналы нейтрино. Первые оценки Дэвиса относительно разрешающей способности этого эксперимента были скорее оптимистическими: Дэвис полагал, что сможет ежедневно регистрировать хотя бы несколько солнечных нейтрино. Но ему предстояло испытать еще одно разочарование: проверив детектор, он не нашел никаких следов неуловимых солнечных посланцев. Вскоре после этого Дэвису довелось узнать и о другом неприятном факте. По данным ученых из лаборатории ВМС, синтез бериллия-7 был достаточно простой реакцией. Однако другие исследователи обнаружили, что следующий этап реакции – превращение бериллия-7 в бор-8 (с поглощением протона) – случается гораздо реже. Таким образом, количество высокоэнергетических солнечных нейтрино должно быть очень низким, и эксперимент Дэвиса не позволяет их зарегистрировать. В 1960 г. Фред Рейнес резюмировал ситуацию так: «Даже при опыте с огромными детекторами, содержащими тысячи или сотни тысяч галлонов[23] [тетрахлорида углерода], вероятность успеха столь невелика, что, пожалуй, экспериментаторам стоит оставить такие попытки». Большинству физиков ситуация казалась безнадежной. Некоторые ученые, не столь упорные, как Дэвис, просто решили смириться и заняться чем-нибудь другим. Однако Дэвис решил провести более масштабный эксперимент, увеличив свою установку в 100 раз. Новый резервуар был сравним по объему с олимпийским плавательным бассейном. Соответственно, такой детектор был гораздо чувствительнее предыдущих моделей.

Тут в нашей истории появляются два новых героя – ученые, познакомившиеся по счастливой случайности. Удивительно, как часто подобные стечения обстоятельств влияют на развитие науки – вспомнить хотя бы вынужденную посадку самолета, на котором летели Рейнес и Коуэн. В истории, которую мы сейчас обсудим, редактор журнала невольно стал посредником между двумя учеными, ранее не знавшими друг друга. Одним из этих исследователей был Вилли Фаулер, приятель Дэвиса. Фаулеру удалось доказать, что протекающие в звездах ядерные реакции порождают все легкие химические элементы – от углерода до железа, – тогда как начинаются эти реакции с водорода и гелия, элементов, образовавшихся еще при Большом взрыве. Вторым героем этой истории стал блестящий молодой теоретик по имени Джон Бакал. Бакал вырос в Луизиане, отлично играл в теннис, а в старших классах был чемпионом по дебатам. В юности он планировал изучать философию и стать раввином. Проучившись год в Луизианском государственном университете, он отправился на летние курсы в Калифорнийский университет города Беркли. Бакалу там понравилось, и он остался в Калифорнии писать работу по философии на соискание степени бакалавра благодаря одному родственнику, согласившемуся покрыть расходы на обучение.

Для получения этой степени Бакал был обязан пройти курс по естествознанию. Молодой человек добился, чтобы ему разрешили выбрать физику в качестве профилирующей дисциплины, хотя в старших классах вообще не занимался естественными науками. Именно тогда Бакал открыл в себе настоящую страсть к физике. Позже он вспоминал: «Это было самое сложное, чем мне приходилось заниматься в жизни, но я запал на естественные науки. Я был восхищен самим фактом, что, немного разбираясь в физике, ты начинаешь понимать, как именно устроен мир, как садится солнце и летают самолеты, причем на каждый вопрос есть правильный ответ, с которым все согласны». Затем Бакал получил степень магистра по физике в Чикагском университете и докторскую степень в Гарварде.

В 1960 г., будучи научным сотрудником в Университете Индианы, Бакал отправил в журнал Physical Review статью о процессах бета-распада, протекающих внутри звезд. Как же он удивился, получив письмо об этой статье от Вилли Фаулера, причем еще до публикации самой статьи! Фаулер попросил редактора журнала составить для него конспект этой статьи, а в письме Бакалу предложил молодому философу перебраться на работу в Калифорнийский технологический институт. Работа Бакала так впечатлила Фаулера, что он написал о молодом теоретике и Рэю Дэвису, посоветовав связаться с Бакалом. Действительно, Дэвис написал Бакалу, попросив того помочь ему уточнить активность образования солнечных нейтрино, рассчитав темпы соответствующих ядерных реакций. Бакал с радостью согласился помочь, так между ними завязалось тесное научное сотрудничество и близкая дружба, продлившаяся более 50 лет.

Поначалу Бакал недооценил масштаб задачи, которую поставил перед ним Дэвис. Спустя несколько десятилетий в интервью журналу Nova он признавался: «Когда я оказался в Калифорнийском технологическом и попытался рассчитать, сколько нейтрино должно прилетать от Солнца, я осознал, что эта проблема несравнимо сложнее, чем мне казалось на первый взгляд, поскольку на Солнце наперегонки друг с другом идет сразу множество ядерных реакций». Более того, Бакалу предстояло определить различные характеристики солнечных недр – химический состав, температуру, плотность, давление – с максимально возможной точностью. Только после этого он мог бы предоставить Дэвису достоверную оценку количества нейтрино, образующихся на Солнце. Результаты первых вычислений Бакала были удручающими: он подсчитал, что 3800-литровый резервуар Дэвиса позволяет зарегистрировать примерно один нейтрино за 100 дней. По оценке Бакала, даже если бы Дэвису удалось соорудить детектор в 100 раз объемнее, то он мог бы ловить примерно по одной частице в день, чего явно недостаточно для надежного измерения солнечных ядерных реакций.

Но хорошие новости пришли с другого фронта. Обратив внимание на гипотезу датского физика, Бакал обнаружил, что хлор должен захватывать нейтрино в 20 раз эффективнее, чем предполагалось ранее. Планы Дэвиса получили новый сильнейший импульс. Теперь, имея реальную перспективу ловить несколько солнечных нейтрино ежедневно, Дэвис считал целесообразным и конструирование нового большого детектора. Он знал, что для защиты этого тонкого эксперимента от космических лучей установку следует расположить примерно в 1,5 км под землей.

Хотя финансирование для этого грандиозного проекта еще даже не просматривалось, в 1963 г. Дэвис стал искать подходящие глубокие шахты по всей территории США. В этом ему помогал Блэр Манхофен, коллега Дэвиса по Брукхейвенской лаборатории. Горное бюро США официально рекомендовало Дэвису рассмотреть два варианта: золотой рудник Хоумстейк в Южной Дакоте и медный рудник Анаконда в Монтане. Дэвис и Манхофен лично побывали на обеих шахтах. Владельцы рудника Анаконда очень хотели, чтобы ученые выбрали для эксперимента именно их шахту, поэтому предложили по низкой цене выполнить бетонную облицовку цилиндрической исследовательской скважины. Но Дэвис и Манхофен пришли к выводу, что сами горные породы в Анаконде не позволяют выкопать достаточно объемную полость на требуемой глубине. В Хоумстейк подготовка такой полости технически не составляла проблем, но такие работы должны были обойтись достаточно дорого. Поэтому коллеги-физики решили поискать другие варианты. Наконец, они отыскали серебряный рудник Саншайн в штате Айдахо, подходивший им и с технологической, и с бюджетной точки зрения. Итак, место было найдено, оставалось выбить деньги под эксперимент.

Это был уже очень серьезный этап. Дэвис и Бакал решили обратиться за официальным одобрением эксперимента и финансированием к директору Брукхейвенской лаборатории Морису Гольдхаберу. Гольдхабер был физиком-ядерщиком, он сомневался, что астрономы вообще способны что-то вычислить с настолько высокой точностью, чтобы это было ему интересно. Дэвис знал об этом предубеждении Гольдхабера, поэтому посоветовал Бакалу в разговоре с директором сделать акцент на ядерной физике, а не на астрофизике. Прием сработал – Гольдхабер санкционировал этот эксперимент и согласился оплатить его за счет лаборатории. Позже Бакал с воодушевлением описывал это достижение как «величайшую дипломатическую победу Рэя».

В начале 1964 г. Бакал и Дэвис сформулировали свою теорию и описали эксперимент в двух статьях. Они описали возможность использования резервуара объемом 380 000 л безводной моющей жидкости в качестве детектора солнечных нейтрино. Эти материалы привлекли самое пристальное внимание широкого научного сообщества. Понтекорво, живший в СССР, изучил эти статьи с большим интересом. Планы Бакала и Дэвиса по охоте за нейтрино освещались даже в СМИ, и такая публичность принесла неожиданную пользу: когда планы по постановке опыта на шахте Саншайн неожиданно сорвались (жаль, а ведь название было в самую точку[24]), к ученым обратились владельцы шахты Хоумстейк, предложившие гораздо более привлекательную смету земляных работ. Производители промышленных резервуаров также гораздо сильнее заинтересовались в этом эксперименте. В послании к Бакалу, написанному в тот период, Дэвис отмечал: «Эти резервуарщики стали воспринимать нас гораздо серьезнее после выхода статьи в Time».

Извлечение горных пород на шахте Хоумстейк началось весной 1965 г. и заняло около двух месяцев. Когда Дэвис и Блэр Манхофен спустились на 1,5-километровую глубину, чтобы лично осмотреть получившуюся гигантскую полость, они остались очень довольны. Дэвис обратился в Chicago Bridge and Iron Company, которая ранее занималась изготовлением герметичных космических отсеков для NASA, и заказал им резервуар для эксперимента. Компания справилась с работой за год. Резервуар как следует вычистили и крепко запечатали, чтобы не допустить попадания атмосферного аргона в жидкость и таким образом избежать загрязнения. Позже Дэвис и Бакал узнали, что компания «не заинтересовалась бы изготовлением такого небольшого, достаточно незамысловатого бака, какой требовался для нейтринного эксперимента, но ее привлекли цели эксперимента как таковые, а также необычное место для установки резервуара». Далее на шахту из Канзаса прибыл состав из 10 железнодорожных цистерн с безводным моющим средством. Ученые доставляли жидкость вниз к резервуару в специально изготовленных для этого контейнерах, воспользовавшись проложенной в шахте узкоколейкой и подъемником. На последнем этапе подготовки эксперимента потребовалось удалить из жидкости весь растворенный в ней воздух, чтобы избавиться от малейших следов аргона.

К осени 1966 г. все было готово к началу эксперимента. Итоговая цена проекта составила $600 000, как выразился Дэвис, «по стоимости – как 10 минут эфирного времени на коммерческом телеканале». Тем временем Бакал продолжал уточнять свои оценки, высчитывая, сколько примерно нейтрино Дэвис сможет обнаружить при помощи нового аппарата. По самым оптимистичным оценкам Бакала, нейтрино, взаимодействующие с атомами хлора в жидкости, должны порождать несколько десятков атомов аргона в месяц.

Дэвис был уверен, что практически все эти атомы удастся выудить. Он был не склонен делать громкие заявления, скромно сравнивая себя с «сантехником», имея в виду, что вся необходимая работа для решения важнейшей задачи захвата солнечных нейтрино сводится к прозаической постройке и эксплуатации большого бака и опутывающих его труб. Правда, требовалось с максимальной тщательностью избегать даже малейшей разгерметизации. Но Бакал описывал ситуацию так: «Сам не будучи химиком, я был просто поражен масштабами этого проекта и тем, насколько филигранно мы подходили к его реализации… Он сможет найти в этом баке несколько атомов [радиоактивного аргона] и извлечь их оттуда, и в таком случае мы будем уверены, что они возникли под действием солнечных нейтрино. Поневоле задумаешься, так ли сложно найти иголку в стоге сена».

Сборка резервуара, который был использован Рэем Дэвисом в эксперименте по регистрации солнечных нейтрино в золотом руднике Хоумстейк

(Brookhaven National Laboratory)

На самом деле, чтобы получить свой улов, Дэвису предстояло выполнить работу, состоявшую из сложнейших этапов. Сначала требовалось ждать несколько недель, пока от контакта с нейтрино несколько атомов хлора превратятся в аргон. Затем резервуар следовало под напором продуть гелием, который увлекал за собой аргон в охлажденный уловитель с абсорбентом из древесного угля. При очень низкой температуре аргон конденсировался в этом уловителе, отделяясь от гелия. Затем Дэвис подогревал уловитель, чтобы аргон выделился в газообразном виде, собирал его и химически очищал, чтобы избавиться от следов каких-либо других радиоактивных элементов. Конечный образец, сравнимый по размеру с кубиком рафинада, содержал обычный аргон, а также несколько атомов аргона-37, образовавшихся в результате попадания нейтрино в атомы хлора. При помощи счетчика Гейгера Дэвис определял количество атомов радиоактивного аргона, которое соответствовало количеству высокоэнергетических нейтрино, прилетевших с Солнца. Действительно, добыча всего нескольких особенных атомов из резервуара, в котором насчитывалось около миллиона триллионов триллионов (1030) атомов, была потрясающим достижением.

Проведя на руднике Хоумстейк около двух лет за сбором данных, Дэвис обнародовал первые результаты своих исследований на конференции, состоявшейся в Калифорнийском технологическом институте в 1968 г. Он объявил, что в ходе эксперимента удалось зарегистрировать солнечные нейтрино, но всего треть от того количества, которое ориентировочно вывел при своих расчетах Бакал. Сам факт, что кому-то удалось обнаружить солнечные нейтрино (фактически – впервые заглянуть в сердце звезды), уже был примечательным достижением. Но все газеты наперебой сообщали не об этом, а об исключительном несоответствии между теорией и наблюдениями.

Бакал опасался, что результаты Дэвиса фактически могут опровергнуть его (Бакала) солнечную модель. На конференции в Калифорнийском технологическом молодой теоретик был так печален, что легендарный физик Ричард Фейнман (через три года получивший часть Нобелевской премии за работы в области квантовой электродинамики) предложил вместе выйти и немного проветриться. Пока двое ученых гуляли по кампусу, между ними завязался разговор. Бакал вспоминает, что Фейнман, наконец, попытался его подбодрить: «Понимаете, я ведь вижу, что эта лекция вас удручила; так вот, просто хотел сказать – поверьте, вы напрасно расстраиваетесь. Все мы слышали, что вам удалось сделать, никто не усмотрел никаких ошибок в ваших вычислениях. Не знаю, почему результаты Дэвиса с ними не согласуются, но в любом случае не падайте духом. Может быть, вы совершили что-то очень важное, мы просто еще не знаем этого наверняка». Дружелюбие Фейнмана и ободряющие слова глубоко тронули Бакала и помогли ему собраться с духом.

Такое несоответствие между теорией и практическими результатами заставляло задуматься не только о модели Бакала, но и о надежности эксперимента Дэвиса. Многие ученые сомневались, что Дэвису вообще удалось поймать солнечные нейтрино. Они указывали, что в резервуар вполне мог проникнуть атмосферный воздух и загрязнить жидкость детектора – не этим ли объясняется наличие «лишнего» аргона? Кроме того, действительно ли метод Дэвиса позволял извлечь считаные атомы аргона из такого огромного объема жидкости? Вилли Фаулер предложил Дэвису ответить на эту критику, продемонстрировав действенность описываемого метода: впрыснуть в жидкость 500 атомов радиоактивного аргона, как следует ее перемешать, а потом извлечь эти атомы обратно. Дэвис принял вызов и с легкостью выудил из резервуара весь радиоактивный аргон, до последнего атома.

Результаты проверки убедили некоторых скептиков, что экспериментальные приемы Дэвиса действительно работают. Вероятно, директор Брукхейвенской лаборатории Гольдхабер с самого начала был прав: астрофизики не вполне понимали, о чем идет речь. Другие скептики интересовались, не может ли этот результат объясняться чисто статистическими совпадениями. Ведь известно, что если несколько раз бросить монетку, то она с определенной вероятностью упадет орлом или решкой. Чтобы развеять подобные сомнения и повысить надежность эксперимента, Дэвис принялся дорабатывать детектор, чтобы аппарат лучше отличал истинные попадания нейтрино от фоновых помех. Бакал усовершенствовал свою солнечную модель, повторив вычисления с учетом новых данных о скорости протекания соответствующих ядерных реакций. К сожалению, ни все эти доработки, ни годы работы, потраченные на сбор новых данных, не устранили основной проблемы: слишком большой разницы между теоретическими прогнозами и наблюдениями.

Несмотря на добросовестную работу Дэвиса и Бакала, к началу 1970-х стало понятно, что до решения «проблемы солнечных нейтрино» еще очень далеко. Такая ситуация вынуждала многих ученых предлагать все новые решения этой задачи – от разумных до самых нелепых. Некоторые специалисты предлагали откорректировать стандартную солнечную модель – уточнить содержание тяжелых элементов в нашей звезде, скорость вращения солнечного ядра, учесть влияние магнитного поля. Австралийский математик Эндрю Прентис выступил с еще более радикальным, если не сказать ужасающим предложением: он выдвинул гипотезу, что Солнце уже выгорело и от него осталось лишь гелиевое ядро. Поскольку фотоны, образующиеся в солнечном ядре, достигают Земли спустя несколько десятков тысяч лет после своего возникновения, факт выгорания Солнца станет очевиден для нас лишь спустя некоторое время. Британский астрофизик Фред Хойл, известный своими внесистемными взглядами, предположил, что солнечное ядро состоит в основном из тяжелых элементов, которые окружены водородной оболочкой. Еще некоторые теоретики высказывали мнение, что в центре Солнца может находиться черная дыра, а энергия Солнца образуется совсем не в процессе ядерного синтеза, а под действием утекания материи в эту черную дыру, которая, в свою очередь, подпитывает Солнце. Наконец, некоторые ученые полагали, что все несоответствия связаны с тем, что мы просто ошибочно представляем себе свойства нейтрино. Сам Бакал размышлял, не являются ли нейтрино нестабильными и не распадаются ли они на другие частицы. Понтекорво и его советские коллеги отстаивали точку зрения, что нейтрино могут существовать в виде нескольких сортов, причем на пути от Солнца переходить из одного сорта в другой. Они считали, что детектор Дэвиса регистрирует нейтрино только одного типа – этим и может объясняться немногочисленность отловленных частиц.

К началу 1980-х эксперимент на руднике Хоумстейк уже исчерпал кредит доверия в умах большинства физиков. Результаты, полученные Дэвисом, больше не обсуждались. Было очевидно, что он проделал титаническую работу, чтобы понять и максимально усовершенствовать свой аппарат, но досадные расхождения никуда не исчезли. Бакал и Дэвис писали: «Нам казалось удивительным и, пожалуй, более чем удручающим, что с момента выхода наших [первых] статей на эту тему [вышедших в 1968 г.] мы не наблюдаем никаких существенных изменений в наблюдениях, а также не можем доработать стандартную теорию, несмотря на 12-летний труд и постоянную перепроверку деталей, которые мы всеми силами пытались уточнить». Тем не менее на тот момент только Дэвису удалось поймать этих призрачных солнечных посланцев, а кроме него почти никто не горел желанием углубляться в исследование проблемы, которая, казалось бы, зашла в тупик. Наиболее точно ситуацию резюмировал Бакал: «Все специалисты, систематически занимающиеся исследованием солнечных нейтрино, – как теоретики, так и практики – могли свободно разместиться на переднем сиденье машины Рэя – и часто так и делали». Несоответствие между теоретическими прогнозами и количеством наблюдаемых солнечных нейтрино сохранялось, позже эта проблема была охарактеризована в газете The New York Times как «одна из самых удручающих неудач науки XX в.».

Большинство ученых возлагали вину за такое несоответствие на астрономов. Считалось, что проблема заключается в бакаловской модели солнечных недр. Но к концу 1980-х Бакал нашел новый повод для оптимизма. Зарождалась научная дисциплина – геосейсмология. Первые исследования в этой области были посвящены изучению вибрации Солнца, и они хорошо коррелировали с теоретическими прогнозами модели Бакала. Он, в свою очередь, почувствовал себя оправданным и объявил, что теперь очередь астрономов праздновать победу. Данные геосейсмологии свидетельствовали о корректности теоретической модели, а значит, корень проблемы с дефицитом наблюдаемых нейтрино заключался в чем-то другом. Многие физики критиковали этот вывод. Докладчик, подводивший итоги одной научной конференции, просто высмеял Бакала, продемонстрировав слайды с едкими карикатурами. Присутствовавший при этом Джон вспоминал: «Он заставил всю аудиторию, включая меня, смеяться над бравадой и гордыней того парня, который не постеснялся рассуждать о физике частиц, опираясь на свою мудреную солнечную модель». После такого прилюдного унижения Бакал стал гораздо осторожнее делиться своими выводами.

Тем временем в середине 1980-х на другом конце света разворачивался новый эксперимент, связанный с охотой на солнечные нейтрино. Работы велись в шахте Камиока, расположенной примерно в 150 км к западу от Токио. Установленный там детектор изначально проектировался для другой цели: он был призван проверить, могут ли распадаться протоны, поэтому эксперимент получил название Kamiokande[25]. В данном эксперименте были воплощены идеи ученого по имени Масатоси Косиба, вернувшегося на родину после нескольких лет работы в США. Косиба с коллегами хотел проверить основной теоретический прогноз так называемых «теорий большого объединения».

Эти теории, называемые в обиходе аббревиатурой ТБО, были призваны выстроить единый контекст для описания трех из четырех фундаментальных взаимодействий, существующих в природе. Теоретики предполагали, что, хотя в современной Вселенной электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие значительно отличаются друг от друга, непосредственно после Большого взрыва все они действовали как единая однородная сила. Если допустить, что такие теории верны, то в соответствии с подобной картиной мира протоны должны спонтанно распадаться на более легкие элементарные частицы, но такой «период полураспада» протона должен быть крайне велик. Косиба сознавал, что даже если среднее время жизни протона значительно превышает возраст Вселенной, то каждый год он все равно смог бы фиксировать несколько актов распада – при условии, что удастся отслеживать состояние колоссального количества протонов. Поэтому он убедил коллег сконструировать детектор Kamiokande. Эта установка представляла собой резервуар, содержащий 3000 т чистой воды. В стенках изнутри резервуара встроены тысячи ФЭУ. Правда, этот детектор не дал никаких доказательств в пользу распада протонов.

Но исследователи вскоре пришли к выводу, что выстроенный ими агрегат вполне можно использовать для регистрации солнечных нейтрино. Заручившись помощью американских коллег, они модифицировали и усовершенствовали свой эксперимент, чтобы детектор реагировал и на солнечные нейтрино. Эксперимент Kamiokande по обнаружению таких нейтрино функционально значительно отличался от исследования, проводившегося в шахте Хоумстейк. Во-первых, для регистрации частиц использовалась вода, а не безводная моющая жидкость. Время от времени солнечный нейтрино сталкивается с электроном в молекуле воды и выбивает его с орбиты, как один бильярдный шар – другой. Этот быстрый электрон оставляет своеобразный след, напоминающий по форме конус света. Такое бледно-голубое свечение получило название «излучение Черенкова»[26], в честь советского физика Павла Алексеевича Черенкова, исследовавшего этот феномен. ФЭУ, усеивающие стенки резервуара с внутренней стороны, способны зарегистрировать любую световую вспышку, а значит – взаимодействие электрона и нейтрино. Эксперимент Kamiokande помогал ответить и еще на два вопроса. По направлению светового конуса исследователи могли судить, откуда пришел нейтрино, а по интенсивности – определять энергию этого нейтрино. Важнейший из недостатков установки Kamiokande был таким же, как и в эксперименте Хоумстейк: установка позволяла зарегистрировать лишь сравнительно высокоэнергетические нейтрино. Другой недостаток заключался в том, что ФЭУ улавливали не только столкновения нейтрино и электронов, но и иные сигналы – например, вызываемые космическими лучами. Но исследователи нашли способ отличать события с участием нейтрино от прочих сигналов (помех) по очертаниям светового конуса.

Отчет о первых итогах охоты на нейтрино в рамках эксперимента Kamiokande вышел летом 1989 г. Независимые результаты, полученные японскими учеными, воодушевили Рэя Дэвиса: эксперимент Kamiokande не только подтвердил, что часть нейтрино попадает на Землю с Солнца, но и выявил дефицит количества частиц в полном соответствии с прогнозами Бакала – точно такой, какой наблюдался и в эксперименте Хоумстейк. Более того, в течение нескольких следующих лет исследователи из Камиоки также подтвердили, что и энергетический спектр улавливаемых нейтрино согласуется с расчетами Бакала. Оставалось признать, что Дэвис и Бакал с самого начала были правы и явный дефицит наблюдаемых солнечных нейтрино – реальность. Что же это означало? Бакал, испытавший огромное облегчение, узнав о результатах эксперимента Kamiokande, так ответил на этот вопрос: «Я почувствовал: ага, вот мы и исключили вероятность того, что экспериментальные результаты в чем-то ошибочны. Я полностью уверился, что моя теория верна. Показалось, что наконец-то у нас началась светлая полоса». Выяснилось, что дефицит нейтрино открывает путь к новой физике – впрочем, отнюдь не новой, по крайней мере для Бруно Понтекорво, указавшего этот путь еще несколькими десятилетиями ранее.

Глава 5

Космические хамелеоны

Более полувека назад Бруно Понтекорво сделал два важнейших предположения, которые стали ключевыми для разгадки тайны солнечных нейтрино. Во-первых, он понял, что в природе существует не один, а несколько типов нейтрино. Он пришел к такому выводу, наблюдая за распадом мюона – нестабильной элементарной частицы, относящейся к семейству лептонов (к этому же семейству принадлежат электрон и нейтрино). Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии и, по сути, являются первокирпичиками материи. Кроме того, мюон имеет отрицательный заряд и существует всего лишь около двух миллионных долей секунды, после чего распадается. Понтекорво предположил, что с мюоном и электроном связаны разные типы нейтрино.

Трое физиков из Колумбийского университета – Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер – подтвердили существование двух типов нейтрино, поставив соответствующие эксперименты на ускорителе частиц в 1962 г., и тем самым доказали верность догадок Понтекорво. Вскоре Мартин Перл и его коллеги из Стэнфордского университета идентифицировали третью, еще более массивную частицу, относящуюся к семейству лептонов, и назвали ее тау-частицей. Исследователи предположили, что должен существовать и третий тип нейтрино, связанный с тау-частицами. Типы нейтрино стали именоваться образным термином «ароматы».

Второе озарение Понтекорво заключалось в том, что нейтрино могут быть изменчивыми. Он обнаружил, что законы квантовой механики позволяют нейтрино превращаться из одного типа в другой – «осциллировать». Но это было возможно лишь при условии, что нейтрино обладают ненулевой массой. Понтекорво осознал, что масса нейтрино может оказаться минимальной, даже в тысячи раз меньше, чем у электрона – но нулевой все-таки быть не может. Кроме того, он знал, что при ядерных реакциях на Солнце образуются нейтрино лишь одного аромата – электронные нейтрино – и что лишь этот сорт нейтрино позволяет обнаружить эксперимент с хлорсодержащей жидкостью, поставленный Дэвисом. Вскоре после того, как в 1968 г. Дэвис впервые сообщил о дефиците солнечных нейтрино, Бруно Понтекорво и его советский коллега Владимир Наумович Грибов предположили, что по пути от Солнца на Землю нейтрино могут превращаться из одного сорта в другой – этим и объясняется их недостача, наблюдаемая в ходе экспериментов. Понтекорво и Грибов провели аналогию: «представьте, если бы шоколадное мороженое превращалось в ванильное». При всей странности выдвинутой ими теории, такая трактовка давала простое и красивое объяснение дефициту солнечных нейтрино: две трети электронных нейтрино, образующихся на Солнце, могут по пути к Земле сменить аромат и таким образом ускользнуть от наблюдений.

Подобная гипотеза представляется вполне оправданной в зыбком мире квантовой механики, где определенность уступает место вероятности. В квантовой механике частица может описываться и как волна, длина которой зависит от скорости и массы частицы. С математической точки зрения речь идет о «волновой функции», описывающей каждый из ароматов нейтрино. Если нейтрино всех трех ароматов обладают разными массами, то для каждого из ароматов нейтрино должна быть характерна своя длина волны. В сущности, можно сказать, что каждый нейтрино является гибридом всех трех ароматов. Продолжая аналогию с мороженым, можно сказать, что такое мороженое состоит сразу из трех начинок – шоколадной, ванильной и клубничной.

Как осциллируют нейтрино. (Reproduced with permission. Copyright © 2003 by Scientific American, Inc. All rights reserved.)

Пока нейтрино летит через космическое пространство, волны, соответствующие различным ароматам, распространяются с разной скоростью. По пути эти волны накладываются друг на друга, поэтому в различных точках пространства мы получим разные комбинации ароматов. Иногда будет наблюдаться выраженный аромат шоколада, тогда как в других случаях этот аромат сменится на ванильный или клубничный. Итак, частица, которая в момент возникновения являлась электронным нейтрино, может преодолеть некоторое расстояние и приобрести свойства тау-нейтрино. Именно так, по версии Понтекорво и Грибова, нейтрино могут изменяться на пути от Солнца к Земле.

Сложность заключалась в том, что их гипотеза противоречила общепризнанному убеждению, сложившемуся в научном сообществе: большинство физиков считали, что нейтрино не имеют массы и движутся со скоростью света – точно как фотоны, которые лишены массы. Если бы нейтрино действительно обладали такими свойствами, то не могли бы менять ароматы. На самом деле стандартная модель физики частиц, сформулированная в 1970-е гг. и получившая множество экспериментальных подтверждений, постулирует, что масса нейтрино равна нулю. Учитывая, каких впечатляющих успехов в описании субатомного мира позволила достичь стандартная модель, не многие физики были готовы отвергнуть ее положения относительно нейтрино и согласиться с радикальным предположением Понтекорво.

Однако настрой ученых стал меняться, когда трое физиков-теоретиков, занимаясь вычислениями, обнаружили любопытный эффект. Советские физики Станислав Павлович Михеев и Алексей Юрьевич Смирнов, опираясь на гипотезу американского физика Линкольна Вольфенштейна, пришли к выводу, что нейтрино должны гораздо активнее осциллировать в веществе, чем в вакууме. Таким образом, если сразу после возникновения в солнечном ядре нейтрино обладают умеренной изменчивостью, то к тому моменту, как такая частица достигнет поверхности Солнца, она уже должна осциллировать в бешеном темпе. Этот феномен получил название «эффект МСВ» – по инициалам своих первооткрывателей. Многие физики сочли его математическое описание весьма интересным. Джон Бакал признался одному журналисту: «Идея эффекта МСВ очень красивая. Мне кажется, что если бы природа действительно не использовала такую возможность, то это была бы некая космическая ошибка».

Но одни лишь теоретические рассуждения не могли убедить физиков в правоте Понтекорво относительно осцилляций нейтрино. Поэтому многие исследователи восторженно отнеслись к первым экспериментальным доказательствам переходов нейтрино из одного аромата в другой, полученным в 1990-е гг. К тому времени японские охотников за нейтрино усовершенствовали свой детектор, который теперь назывался Super-Kamiokande, или Super-K. Новый прибор стал гораздо чувствительнее, чем исходный детектор Kamiokande. Детектор Super-K, как и более ранние модели, мог регистрировать не только солнечные нейтрино, но и такие, которые образуются в верхних слоях земной атмосферы под действием космических лучей. Так называемые «атмосферные нейтрино» обладают в сотни и даже в тысячи раз большей энергией, чем солнечные. Соответственно, отловить атмосферные нейтрино значительно проще. По оценке ученых, мюонные нейтрино должны образовываться при контакте с космическими лучами вдвое чаще, чем электронные нейтрино. К счастью, детектор Super-K может отличать нейтрино двух этих типов дуг от друга: электронный нейтрино, попадающий в воду, оставляет зыбкий круг света, тогда как подобный круг от взаимодействия с мюонным нейтрино очень четкий. Группа исследователей, наблюдавшая оба сорта нейтрино в Super-K на протяжении почти двух лет, обнародовала неожиданный результат: никакого двукратного перевеса мюонных нейтрино над электронными не наблюдалось, оба эти сорта нейтрино встречались в приблизительно равных пропорциях. Одно из возможных объяснений этого феномена, заключили ученые, таково: возможно, половина мюонных нейтрино переходит в третий аромат, тау-нейтрино. Обнаружить же тау-нейтрино в Super-K было не так просто.

Самая интересная загадка оказалась связана с тем, откуда прибывают нейтрино. Космические лучи с равной интенсивностью бомбардируют всю земную атмосферу, поэтому количество столкновений этих лучей с атмосферными атомами также должно быть примерно равным в любой точке неба. Действительно, исследователи, работавшие с Super-K, зафиксировали практически одинаковые количества электронных нейтрино, приходящих и сверху (с неба), и снизу (с другой стороны земного шара). Однако в случае с мюонными нейтрино такое равенство не соблюдалось: лишь каждый третий мюонный нейтрино прилетал из-под земли, а все остальные нейтрино этого сорта «сыпались» с неба. Исследователи с Super-K предположили, что мюонные нейтрино каким-то образом исчезают, пролетая сквозь толщу земного шара. «Мы поняли: нет дыма без огня», – так образно охарактеризовал эту ситуацию Эд Кёрнс из Бостонского университета, работавший в коллаборации Super-K. Ученые пришли к выводу, что, скорее всего, мюонные нейтрино меняли аромат, превращаясь в тау-нейтрино, которые плохо фиксировались в Super-K. Благодаря этим открытиям в последние годы XX в. все больше представителей физического сообщества склонялись к мысли, что именно осцилляция позволяет объяснить аномалии в соотношении сортов атмосферных нейтрино, а также наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино.

Правда, тот факт, что некоторые нейтрино буквально исчезают в полете, нельзя было считать прямым доказательством перехода нейтрино из одной разновидности в другую. Чтобы убедиться в верности такой интерпретации, физики должны были определить, во что превращаются солнечные электронные нейтрино, либо как минимум изучить электронные нейтрино отдельно от других ароматов. Именно для этой цели была построена нейтринная обсерватория Sudbury (SNO), оборудованная в действующей никелевой шахте на севере канадской провинции Онтарио. Детектор SNO был призван решить проблему солнечных нейтрино раз и навсегда. Позже эта лаборатория была расширена до целого научного комплекса, получившего название SNOLAB.

Директор SNOLAB Найджел Смит согласился устроить мне экскурсию по этой лаборатории. В один из поздних ноябрьских вечеров 2010 г. я отправился из Торонто в Садбери. Четыре часа провел за рулем, следуя на север, время от времени попадая в метель. На следующее утро в предрассветной тьме, не надеясь на GPS-навигатор, я едва нашел дорогу от дешевого отеля (где останавливался на ночь) до комплекса SNOLAB. Однако я ухитрился прибыть на место как раз вовремя, к моменту отправления последнего лифта, уходившего на глубину. На часах было семь утра.

В рабочей раздевалке на первом подземном этаже мы с Найджелом Смитом облачились в голубые комбинезоны и ботинки с армированными носами. Смит закрепил на каске шахтерский фонарь, на ремне – аккумулятор, мне велел сделать то же самое. Мы оставили на специальном колышке две метки – одну для Смита, другую для «посетителя», чтобы в случае нештатной ситуации было проще определить, сколько человек осталось в шахте. Затем мы вошли в темный скрипучий лифт, подвешенный на тросе толщиной почти с мою руку. Вместе с нами в открытую клеть погрузились еще человек двадцать шахтеров. Наш спуск в глубины начался медленно, но затем ускорился. Горняцкие фонари у нас на касках светили довольно тускло, мы видели только пролетавшие мимо нас каменные стены шахтного ствола. Клеть несколько раз останавливалась, группы шахтеров удалялись на работу в штреки. Я мельком заглядывал в освещенные туннели, горизонтально отходившие вдаль от ствола шахты. Примерно на полпути вниз барабанные перепонки уже стали ощущать возросшее давление, поэтому я немного пожевал и натужно зевнул. На последней остановке, около двух километров под землей, вышли мы со Смитом и несколько шахтеров. Наш спуск с учетом всех попутных остановок продлился около 10 минут.

Правда, на этом наше путешествие далеко не закончилось; нам предстояло пройти еще около 1,5 км по грязному тоннелю, отделявшему нас от SNOLAB. К счастью, система железобетонных стоек, анкерных крепей и стальных щитов надежно держала массу нависавших над нами горных пород, не давая им обрушиться под давлением, а вентиляционная система хорошо продувала тоннель – иначе мы бы рисковали свариться здесь от духоты. Горняки разошлись в боковые туннели добывать никель (ведь именно ради этого металла когда-то была прорыта шахта), а мы со Смитом все шли прямо вдоль узкоколейки для вагонеток. Наконец мы достигли таблички, на которой красовалась надпись: «SNOLAB: mining for knowledge»[27]. Мы стояли у дверей самой глубокой в мире исследовательской лаборатории. Смыли грязь с сапог специальным шлангом, а затем открыли ярко-голубую дверь. Я сразу же остолбенел от неожиданного контраста: передо мной предстал чистейший лабораторный отсек, потолок без единого пятнышка, блестящие стены, воздух даже без намека на пыль. Все это абсолютно не сочеталось с мрачной шахтой, которую мы только что миновали. Прежде чем двигаться дальше, мы приняли душ и переоделись в свежие комбинезоны, бахилы, надели сеточки для волос. Последним этапом этого затейливого ритуала очищения перед вступлением в «святая святых» стал воздушный душ – мы избавились от последних пылинок, которые могли на нас остаться, чтобы не нарушить стерильность SNOLAB и не смазать филигранные эксперименты, которые там проводятся. Эта лаборатория эксплуатируется в стерильном режиме, воздух постоянно фильтруется. Все и всё, что попадает в этот комплекс, подлежат тщательной очистке. В частности, в лабораторию не должны проникнуть даже мельчайшие количества радиоактивных элементов, которые изобилуют в шахтной пыли; эти элементы могут спровоцировать интерференцию при измерении нейтринных сигналов.

Будучи внутри этой лаборатории – например, проходя мимо стоек с электронным оборудованием, нашпигованным мерцающими индикаторами, либо перекусывая в столовой вместе с другими учеными, – сразу забываешь, что ты находишься глубоко под землей, а над тобой – 2 км горных пород. Даже если в лифте или в туннеле на тебя накатывают приступы клаустрофобии, здесь это ощущение проходит. Да, заметно отсутствие окон и солнечного света – поэтому кажется иронией судьбы, что эта лаборатория была выстроена именно для наблюдения за частицами, прилетающими с самого Солнца. В середине 1980-х 16 ученых собрались вместе и предложили построить SNO. В этой лаборатории планировалось ловить хотя бы единичные частицы из того множества нейтрино, которые сплошным потоком струятся с Солнца и проникают через горные породы столь же легко, как свет сквозь оконное стекло.

Среди этих ученых был и Арт Макдональд, в ту пору работавший профессором в Принстонском университете. Макдональд вырос на восточном берегу острова Кейп-Бретон в Новой Шотландии. Он всегда интересовался тем, как устроены разные вещи. Ребенком Арт с удовольствием разбирал часы и пытался вновь собрать их. Позже Арт стал физиком и, вооружившись математикой, стремился познать законы природы. Он вернулся в Канаду в 1989 г., принял пост профессора в Университете Куинс и встал во главе проекта SNO. Спустя два года ему и коллегам удалось выбить достаточное финансирование, чтобы воплотить общую мечту: построить глубоко под землей мощную нейтринную обсерваторию.

Детектор SNO на этапе установки

(Lawrence Berkeley National Laboratory)

Настоящим сердцем нейтринного детектора SNO является гигантский цилиндрический сосуд, выполненный из прозрачного акрила. Исследователи наполнили его не обычной водой, а залили в сосуд тысячу тонн тяжелой воды. В молекуле тяжелой воды вместо обычного водорода содержится дейтерий – в этом изотопе водорода присутствует не один протон, а протон и нейтрон. Исследователи очистили тяжелую воду, чтобы удалить из нее не только примеси, но и следы радиоактивных газов. Акриловый сосуд заключен в геодезическом куполе, во внутренней поверхности которого встроены 9600 ФЭУ, постоянно отслеживающих взаимодействия воды с нейтрино. Весь этот исследовательский аппарат развернут в глубокой подземной полости, которая могла бы вместить в себя целый собор. Будучи в лаборатории, я смог взглянуть на эту установку сверху. Строительство SNO продлилось более девяти лет и обошлось в 70 млн канадских долларов – не считая еще 200 млн, выделенных компанией Atomic Energy of Canada на приобретение необходимого объема тяжелой воды. Проект не обошелся без некоторых заминок, но уже летом 1999 г. детектор SNO начал получать лабораторные данные.

Спустя два года Арт Макдональд объявил о первых результатах эксперимента, полученных в ходе регистрации взаимодействий между нейтрино и тяжелой водой на протяжении 241 суток. Сравнив количество нейтрино, зарегистрированных в SNO и Super-K, Арт и коллеги пришли к выводу, что некоторые нейтрино, по всей вероятности, действительно меняют аромат. «Мы разгадали тайну недостающих солнечных нейтрино, которая оставалась нераскрытой в течение тридцати лет, – сказал он в одном из интервью. – Теперь мы практически уверены, что наблюдавшийся дефицит связан не с ошибочностью теоретических моделей Солнца, а с изменениями, которые претерпевают сами нейтрино на пути от Солнца к Земле». Эти результаты подстегнули интерес к исследованию осцилляций нейтрино, а также заставили вновь задуматься о том, обладают ли нейтрино ненулевой массой.

Необходимо признать, что это было существенное достижение, однако оно далеко не решило всех проблем. Идеальной проверкой для SNO был бы опыт по измерению всех трех ароматов нейтрино, без необходимости сравнения результатов этой обсерватории с данными из Super-K. Именно эту задачу и поставили перед собой канадские физики. В течение следующего года они предоставили точные данные о том, сколько нейтрино каждого из ароматов удалось зафиксировать. Суммарные результаты полностью совпали с теми, что были теоретически предсказаны в модели Джона Бакала. Действительно, электронные нейтрино составляли лишь треть от всех, прилетающих к нам от Солнца. Остальные две трети приходились на мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, удалось доказать, что образующиеся на Солнце электронные нейтрино по пути к Земле действительно меняют аромат. Физик Эд Кёрнс из Бостонского университета объясняет: «Super-K фактически сообщил нам только общий баланс на счете, а SNO позволил изучить и приходную, и расходную часть».

Эти открытия полностью подтвердили правоту Дэвиса и Бакала. Измерения Дэвиса и расчеты Бакала относительно солнечных нейтрино с самого начала были правильными. На самом деле совпадение между прогнозом Бакала и количеством нейтрино, отловленных в SNO, оказалось удивительно точным. Сам Джон был настолько окрылен сознанием собственной правоты, что даже признался одному журналисту: «Было такое ощущение, словно я танцую». Позже Бакал говорил: «Представьте, 30 лет все указывали на меня пальцем и говорили: “Это тот самый парень, который неверно рассчитал поток нейтрино от Солнца” – и вдруг оказалось, что я прав. Все равно как если бы человека давным-давно осудили за какое-то гнусное преступление, а затем сделали анализ ДНК и выяснили, что он, оказывается, невиновен. Именно так я себя тогда чувствовал». Наконец-то астрономы могли с полным правом сказать, что вполне понимают, как именно на Солнце образуется энергия. Кроме того, теперь у них появился новый метод, позволяющий измерить температуру в недрах Солнца – за миллионы километров от нас. Дело в том, что количество солнечных нейтрино, образующихся каждую секунду, значительно меняется в зависимости от температуры ядра. Физики получили важнейшие подтверждения правильности прогнозов Понтекорво: оказалось, что нейтрино действительно меняют аромат и имеют ненулевую массу, хотя это и противоречит стандартной модели.

Вероятно, эти открытия очень впечатлили и весь Нобелевский комитет: в 2002 г. за свои исторические достижения половину Нобелевской премии по физике поделили Рэй Дэвис и Масатоси Косиба из лаборатории Kamiokande. Премия была вручена с формулировкой «за первый весомый вклад в астрофизику, в части обнаружения космического нейтрино». Джон Бакал награжден не был, несмотря на поразительное подтверждение его гипотетической солнечной модели. Многие коллеги сочли, что Бакала несправедливо обделили.

Среди физиков распространено мнение, что в будущем Нобелевский комитет также планирует вручить еще одну премию – за открытие осцилляций нейтрино. В конце концов, Нобелевская премия 2002 г. была присуждена за экспериментальное обнаружение нейтрино и соответствующий вклад в астрофизику, а не за открытие изменчивости этих частиц. Эд Кёрнс полагает, что присуждение Нобелевской премии за открытие осцилляций нейтрино – это «вопрос времени». Угадывание будущих лауреатов – излюбленная кулуарная игра в физическом научном сообществе. Кёрнс и некоторые его единомышленники полагают, что хотя бы часть этой потенциальной премии должна быть присуждена Арту Макдональду, лидеру команды SNO. Не столь понятно, кто из группы Super-K может рассчитывать на часть этой премии, поскольку руководитель лаборатории Ёдзи Тоцука умер в 2008 г. Следующими вероятными кандидатами являются Ёитиро Судзуки и Такааки Кадзита – они оба сделали большой вклад в работу Super-K. «Было бы здорово, если бы премию присудили всем троим. Каждый октябрь я с нетерпением жду, вдруг это произойдет», – признался мне Кёрнс. Джон Лирнид из Гавайского университета согласен с Кёрнсом по двум из этих кандидатов – Макдональду и Кадзите, но считает, что третья часть премии должна достаться Ацуто Судзуки, физику из лаборатории KamLAND, где изучаются осцилляции нейтрино, образующихся в ядерном реакторе.

Открытие осцилляций нейтрино имеет для науки далекоидущие последствия. Во-первых, факт осцилляций означает, что нейтрино обладают массой, несмотря на то, что это противоречит Стандартной модели. Следовательно, у нас есть первое весомое доказательство в пользу неполноты этой модели. Во-вторых, измерение осцилляций нейтрино открывает перед нами путь к «новой физике» – этим термином обобщенно именуют все феномены, которые не учитываются в стандартной модели. Карстен Хигер, физик из Висконсинского университета в Мадисоне, в разговоре со мной сказал следующее: «Традиционная физика частиц всегда лишь подтверждала Стандартную модель. Осцилляции нейтрино стали первым признаком того, что физика не ограничена Стандартной моделью. Это открытие – настоящий прорыв в физической дисциплине».

Открытие массы у нейтрино представляет интерес и для космологии. Нейтрино – вторые по распространенности частицы во Вселенной (после фотонов), поэтому если каждый нейтрино обладает хотя бы минимальной массой, то общая масса этих частиц может оказаться довольно значительной. Некоторые специалисты по космологии надеялись, что именно из нейтрино может состоять таинственная темная материя, факт существования которой известен только по гравитационному воздействию этой материи на галактики и скопления галактик. Однако масса нейтрино все-таки слишком ничтожна, чтобы именно на нейтрино могла приходиться вся темная материя. Таким образом, должна существовать какая-то другая частица (или частицы), еще неизвестные физической науке. Охота продолжается, но подходящая «дичь» пока не найдена.

Открытия, сделанные в лаборатории Super-K и SNO, подготовили почву для новых экспериментов с нейтрино. Цель этих экспериментов заключается в точном измерении того, как именно нейтрино переходят из одного аромата в другой. Физики часто характеризуют такие осцилляции в контексте параметров, называемых «углы смешивания». В схожем контексте принято описывать аэродинамику самолета, в которой различаются параметры «тангаж», «крен» и «рыскание». Два из трех углов смешивания удалось измерить в лабораториях Super-K и SNO, а величина третьего, называемого «Ө13» (тета-один-три), оставалось неизвестной. Измерив все три угла смешивания, физики смогут точно определить попарные разности масс трех состояний нейтрино. Более того, в этом случае нас, вероятно, ждут новые интересные открытия в области новой физики, связанные с мельчайшими деталями преобразований нейтрино. В настоящее время ученые активно ищут ответ на вопрос, совпадают ли свойства нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино – аналог нейтрино, состоящий из антивещества. Если эти свойства не совпадают, то понимание различий между нейтрино и антинейтрино может оказаться важнейшим шагом к ответу на вопрос: почему во Вселенной наблюдается настолько больше вещества, чем антивещества? Мы подробнее обсудим эту проблему в главе 7. Второй актуальный вопрос, стоящий перед физиками, – существуют ли и другие ароматы нейтрино кроме известных трех? Некоторые экзотические теории предполагают существование четвертого аромата, условно именуемого «стерильные нейтрино». Такие нейтрино якобы вообще не взаимодействуют с материей, но их можно обнаружить косвенными методами. Вероятно, обнаружить этот наиболее инертный сорт нейтрино будет гораздо сложнее, чем остальные. Но с космологической точки зрения стерильные нейтрино могут играть заметную роль, если их общая масса достаточно велика и сопоставима с массой темной материи.

В новейших экспериментах по изучению осцилляций используются нейтрино техногенного происхождения – в частности, получаемые из ядерных реакторов и ускорителей частиц, – а не солнечные или атмосферные нейтрино, как в лабораториях Super-K и SNO. Вскоре после открытия осцилляции солнечных нейтрино японские физики подтвердили реальность этого феномена, измеряя нейтрино из ядерных реакторов, расположенных в районе Камиока. Действительно, через детектор прошла лишь часть испущенных нейтрино, в согласии с представлением о том, что по дороге от реактора часть из них сменила аромат. В ускорителях образуются целые лучи нейтрино; благодаря этому ученые могут с точностью определять количество, типы и энергии этих частиц. В США был поставлен эксперимент MINOS, в ходе которого луч нейтрино из лаборатории Fermilab близ Чикаго направляли в детектор, расположенный на севере штата Миннесота примерно в 720 км от лаборатории в заброшенном железном руднике Судан. MINOS также зафиксировал осцилляции нейтрино.

Один из крупнейших нейтринных экспериментов, ведущихся в настоящее время, называется «T2K», – эта аббревиатура означает «Токай – Камиока». В ходе эксперимента мощный луч нейтрино направляется через японский остров Хонсю. Ускоритель частиц, где образуются нейтрино, расположен в городе Токай на восточном побережье Японии, а детектор находится в районе Камиока на западе острова, примерно в 290 км от Токая. Кстати, город Токай в Японии довольно известен – именно на него в нескольких японских фильмах нападает монстр Годзилла. Строительство и последующая эксплуатация этого комплекса осуществляется международной коллаборацией, в которой заняты около 500 ученых из 12 стран. Сбор экспериментальных данных начался в январе 2010 г. Предполагалось, что первые результаты будут объявлены на семинаре в Токио, который был запланирован на 11 марта 2011 г. в 15.00 по токийскому времени. Однако всего за 14 минут до начала этого мероприятия на северо-восточном побережье Японии разразилось катастрофическое землетрясение силой 9 баллов по шкале Рихтера. Это было сильнейшее землетрясение, когда-либо зарегистрированное в стране, на берег обрушились опустошительные цунами. По сделанным впоследствии оценкам, общее количество жертв землетрясения и цунами составило более 15 000 человек, а суммарный экономический ущерб превысил $200 млрд. Самой серьезной катастрофой в ходе этих событий стала авария на атомной станции «Фукусима», где из-за волн цунами остались без электропитания охладительные системы реактора, причем стихия уничтожила даже резервные дизельные генераторы.

Брайан Кирби, аспирант из Университета Британской Колумбии (UBC) в Канаде, прибыл в Токай за день до землетрясения, чтобы заступить на двухнедельную смену в аппаратном зале нейтринной лаборатории. Когда днем 11 марта все здание внезапно затряслось, он и еще несколько сотрудников спрятались под столом. «Толчки продолжались довольно долго», – вспоминал Брайан. Вскоре отключилось электричество. Когда толчки поутихли, Кирби с коллегами выбрались наружу. «Еще несколько минут продолжались афтершоки[28], земля казалась зыбкой», – рассказывает Кирби. Он не представлял, на каком расстоянии от эпицентра расположен Токай, каким разрушительным оказалось это землетрясение в районе города Сендай, всего в 200 км севернее. Убедившись, что стихия улеглась, Брайан с коллегами сели на велосипеды, покатили к дому, который арендовали неподалеку, и устроили барбекю, пока запасенные продукты в холодильнике не испортились – ведь электричества не было.

Спустя несколько часов в Ванкувере Скотта Озера разбудила жена и рассказала, что в Японии произошло сильное землетрясение. Озер работал профессором в университете Британской Колумбии – именно он был канадским представителем коллаборации T2K, выполнявшим обязанности спикера, и именно под его руководством Кирби защитил диссертацию. Озер открыл онлайновую карту и убедился, что эпицентр землетрясения был не так далеко от Токая. Он сразу же проверил электронную почту, надеясь найти в ящике письмо от своего аспиранта. Озер обнаружил массу сообщений от коллег по T2K, работавших за пределами Японии, а последнее письмо в папке «Входящие» было как раз от перепуганной матери Брайана Кирби. Озер послал ей японский номер мобильника Кирби и попытался позвонить парню сам. К удивлению и облегчению профессора, Кирби поднял трубку. Аспирант сообщил, что у него все нормально, только нет электричества, Интернета и батарея в телефоне садится. Сотрудники T2K организовали эвакуацию коллег из Токая вглубь острова, а затем и из Японии. Кирби покинул Японию спустя несколько дней.

Оставалось только гадать, в каком состоянии оказался эксперимент T2K. Озер признался: «Мы не питали надежд, что после девятибалльного землетрясения что-то могло уцелеть. По дорогам было невозможно проехать, несколько недель не было электричества, поэтому прошло немало времени, пока мы смогли отправить человека в Токай – проверить, в каком состоянии лаборатория». К счастью, разрушения оказались гораздо меньше, чем могло показаться. Здания, крепко вмурованные в породу, большей частью остались неповрежденными, но многие окружающие подъездные пути провалились, оборвались некоторые силовые кабели, была выведена из строя водяная система охлаждения комплекса. Благодаря барьерам от цунами морские волны не попали в лабораторию. Тем не менее ремонт продлился более года. Сбор данных в эксперименте T2K возобновился лишь в апреле 2012 г.

Согласно тем данным, которые были получены до землетрясения и анонсированы в июне 2011 г., некоторые мюонные нейтрино действительно превращаются в электронные. Более ранние исследования, проводившиеся в SNO и Super-K, позволили зарегистрировать два других вида осцилляций нейтрино, однако непосредственно наблюдать превращение третьего типа удалось только в T2K. Из множества мюонных нейтрино, полученных в Токае, 88 попали и в детектор Камиока, расположенный примерно в 290 км к западу. Причем шесть из этих 88 оказались в Камиока, уже будучи электронными нейтрино, хотя исходный луч состоял лишь из мюонных нейтрино. Очевидно, эти шесть частиц изменили аромат по пути. Эд Кёрнс признавался: «Хотя мы и изучаем осцилляции нейтрино уже долгие годы, эти шесть превращений воспринимались с глубоким трепетом». Линдли Уинслоу из Массачусетского технологического института также считает, что обнаружение этих шести частиц является важной вехой в физике нейтрино; по ее словам, это «шесть самых популярных событий, связанных с нейтрино». Эти первые результаты T2K оказались явно недостаточными, чтобы точно измерить значение третьего угла смешивания; все-таки шесть актов осцилляции – это очень мало. Однако данные результаты позволили убедиться, что величина Ө13 действительно не равна нулю. В свою очередь, это позволяет предположить, что нейтрино и антинейтрино отличаются по свойствам, в частности по-разному взаимодействуют с материей.

Три других эксперимента, связанные с уточнением Ө13, велись по горячим следам опытов с T2K. Один из них проводится в деревушке Шо на северо-востоке Франции; физики измеряют свойства нейтрино, образующихся в промышленном ядерном реакторе в ходе его эксплуатации. Ученые установили один детектор в непосредственной близости от реактора, а второй – на расстоянии 1 км от первого, чтобы можно было измерить темпы исчезновения электронных нейтрино. Осенью 2011 г. физики сообщили о результатах первых 100 дней эксперимента Double Chooz – он получил такое название, поскольку в Шо установлено два детектора. Измерения, выполненные французской группой, дали независимое подтверждение тому, что значение Ө13 действительно ненулевое, но не позволили с достаточной точностью определить это значение. Другой эксперимент, поставленный в бухте Дайя-Бэй в Китае, более чувствителен к таким изменениям. Дело в том, что в Дайя-Бэй установлен один из самых мощных промышленных ядерных реакторов в мире; не менее удобно, что огромные детекторы установлены глубоко под землей, благодаря чему удается по максимуму исключить помехи, связанные с космическими лучами. Проанализировав данные, полученные в Дайя-Бэй всего за два месяца, коллаборация Дайя-Бэй уже в марте 2012 г. объявила, что их эксперимент впервые позволил вполне точно измерить значение Ө13. Ученые выяснили, что около 6 % электронных нейтрино успевают исчезнуть на пути между реакторами и детекторами, протяженность которого составляет примерно 2 км. Примерно через месяц третий эксперимент под названием RENO[29], поставленный в Южной Корее, подтвердил результаты, полученные в Дайя-Бэй, хотя и с меньшей точностью. Кам-Бю Люк, спикер коллаборации Дайя-Бэй, работающий в США, сообщает: «Оказывается, что значение Ө13 довольно внушительное. Это сюрприз, причем приятный». Он считает, что «это открытие позволяет ученым совершенно по-новому взглянуть на многие вещи. Так, физики-теоретики наконец смогут выйти за рамки Стандартной модели».

Джанет Конрад из Массачусетского технологического института, работающая на эксперименте Double Chooz, также с воодушевлением воспринимает зарождающуюся «точную физику нейтрино». Конрад, выросшая на севере штата Огайо, в детстве увлекалась фантастическим сериалом «Звездный путь», любила смотреть на звезды в телескоп, который был у ее друга. Она мечтала стать астрономом или офицером по науке на звездолете. Правда, когда Джанет познакомилась с книгами о Нэнси Дрю[30] и Шерлоке Холмсе, ее предпочтения изменились: теперь она подумывала о карьере сыщика. Однако впоследствии мечты о небе вновь привели Джанет к науке. Будучи подростком, Конрад просыпалась в предрассветный час, чтобы опрыскать теплой водой сортовые георгины, которые выращивала в саду вместе с отцом (ученым-агрономом) для выставок. Однажды утром, когда в лицо уже веял прохладный осенний ветер, ей довелось увидеть северное сияние. Девушка была просто зачарована ярким зрелищем, которое возникает из-за того, что прилетающие с Солнца заряженные частицы бомбардируют земную атмосферу. Она вспоминает, что эти зори были «такими невероятно прекрасными, такими захватывающими».

Позже, будучи студенткой колледжа Свартмор, Конрад посещала курс квантовой механики и очень интересовалась новейшими исследованиями, связанными с субатомным миром. Она смогла попасть на летнюю практику в Гарвард, где стала работать в лаборатории; там она участвовала в изучении свойств пучков частиц, генерируемых на циклотроне, в частности, их применения для лечения рака глаз. Но лишь на третьем курсе, после визита в лабораторию Fermilab, Конрад окончательно определилась со сферой своих научных интересов. В настоящее время Конрад занимает пост профессора в Массачусетском технологическом институте, где занимается проблемами нейтрино. Конрад удается сочетать любовь к науке и страсть к разгадыванию тайн. Однажды она образно отметила: «Детектив может и не быть ученым, но ученый – обязательно детектив». Она считает, что нейтрино могут дать ключ к решению величайших космологических загадок, и оптимистически смотрит в будущее – по мнению Конрад, в ближайшие 10 лет нас ожидают фундаментальные открытия в этой области. «Мы подходим к самому интересному. Потребовалось немало времени, чтобы достичь этого этапа, но сегодня мы можем находить ответы на важнейшие вопросы, подкрепляя их точными измерениями», – считает она.

Действительно, физики проделали долгий путь с тех пор, как Бруно Понтекорво впервые предположил, что нейтрино могут страдать от своеобразного «раздвоения личности». Благодаря открытиям, совершенным в Kamiokande и SNO, эти неутомимые исследователи смогли решить нелегкую проблему дефицита солнечных нейтрино, с которой не один десяток лет тягались Рэй Дэвис и Джон Бакал, рискуя собственной репутацией. Кроме того, охотники за нейтрино установили, что у этих частиц действительно есть масса – чем впервые доказали, что физика не ограничивается Стандартной моделью. Также удалось открыть, что нейтрино трех сортов могут превращаться друг в друга, меняя аромат. При помощи разнообразных высокоточных экспериментов ученые все точнее разбираются в деталях причудливых свойств этих частиц-хамелеонов. При этом они не только раздвигают границы фундаментальной физики, но и разрабатывают ценный инструментарий для космологии и астрофизики. В следующей главе мы поговорим о том, как астрономы при помощи нейтрино анализируют колоссальные взрывы, происходящие во Вселенной.

Глава 6

Взрывающиеся звезды

Ла-Серена – тихий приморский городок, расположенный примерно в 500 км от чилийской столицы Сантьяго. Лишь на пару месяцев в году, во время курортного сезона, Ла-Серена оживает, принимая множество отпускников. Большинство гостей приезжают сюда позагорать на золотых пляжах, некоторых привлекает неоколониальная архитектура города, а также его окрестности; этот район славится своими винодельнями, где варят писко – крепкий алкогольный виноградный напиток. До сих пор между чилийцами и перуанцами не утихают споры о том, в какой из двух стран был впервые приготовлен этот напиток. Севернее Ла-Серены пролегает легендарная трасса – Панамериканское шоссе. Именно здесь дорога постепенно идет вверх, извиваясь вдоль склонов Андского хребта, пересекая сухие речные долины, усыпанные валунами. Кроме колючего кустарника и кактусов здесь почти нет зелени. Между камней у дороги иногда проскочит вискача – грызун, похожий на кролика, над головой время от времени можно заметить парящего ястреба. Примерно через 130 км после выезда из города дорога сворачивает вправо к горам. Уже с развилки можно заметить группу белых куполов, как будто из сказки, – они вырисовываются на фоне неба и видны издалека. Последний рывок на вершину Лас-Кампанас пролегает по крутой узкой дороге, высеченной в горном склоне, – и вот астрономы наконец оказываются на горном пике высотой 2282 м. Днем с вершины открывается живописный вид, но он не выдерживает никакого сравнения с завораживающим ночным зрелищем, когда через все небо перекидывается искрящаяся звездами дуга Млечного Пути, а сбоку от него просматриваются два размытых ярких пятна – Магеллановы облака, Малое и Большое.

В ночь с 23 на 24 февраля 1987 г. здесь в Лас-Кампанасе находился Иэн Шелтон – 30-летний канадец родом из города Виннипег. В этой обсерватории он работал в качестве постоянного наблюдателя на небольшом 600-мм телескопе, принадлежащем Университету Торонто. Шелтон не только успевал регистрировать данные, которые требовались торонтским астрономам, но и находил время повозиться с еще одним телескопом поменьше – 250 мм, также установленным на этой горе. Возраст телескопа был уже значительным – более полувека. Он был установлен в небольшом сарае, причем даже не имел автогида для отслеживания звезд, поэтому Шелтону приходилось следить за небом вручную. В ту ночь Шелтон в очередной раз направил маленький телескоп на Большое Магелланово Облако – одну из галактик-спутников Млечного Пути. Длительные экспозиции этой карликовой галактики Шелтон запечатлевал на старомодных фотопластинках; затем он собирался изучить полученные снимки и поискать в глубинах Облака переменные звезды.

В предрассветный час 24 февраля, уже собираясь идти спать, Шелтон решил проявить последнюю фотопластинку, отснятую этой ночью. Он извлек пластинку из проявочного бачка и присмотрелся к ней – хотел проверить, насколько правильная была экспозиция. Тут он обратил внимание на странную деталь – необычное яркое пятно рядом с хорошо известной туманностью Тарантул (по форме она действительно напоминает паука). Ученый задумался, что бы это могло быть, и решил, что ему просто попалась дефектная пластинка. Просто чтобы лишний раз в этом удостовериться, он вышел на чистый сухой горный воздух и взглянул на небо невооруженным глазом. В Большом Магеллановом Облаке он сразу заметил яркую звезду, которой там не было еще прошлой ночью. Шелтон поспешил к еще одному телескопу, расположенному рядом на горном кряже, чтобы поделиться этой новостью. Шелтон рассказал о своей загадочной находке двум другим астрономам, дежурившим на контрольном пункте, – Барри Мадоре и Уильяму Кункелю. Пока они об этом беседовали, чилиец Оскар Духальде – оператор телескопа – добавил, что и он несколько часов назад заметил эту звезду, когда выходил на улицу подышать воздухом. Все четверо пришли к выводу, что перед ними – сверхновая. Так называется взорвавшаяся звезда, которая в течение короткого времени может сиять ярче, чем миллиарды солнц. Астрономия не знает каких-либо иных небесных тел, чья яркость может меняться так плавно и при этом быстро. Еще вчера ночью будущую сверхновую не мог зарегистрировать телескоп, а уже сегодня она легко видна невооруженным глазом. Оставалось признать, что Шелтон и Духальде действительно открыли сверхновую, взорвавшуюся в галактике-спутнике Млечного Пути.

На противоположном берегу Тихого океана, в приморском новозеландском городке Нельсон той ночью не спал еще один человек – бывший лавочник и страстный астроном-любитель Альберт Джонс. Джонс тоже высматривал переменные звезды в Большом Магеллановом Облаке. Будучи настоящим энтузиастом, он то и дело засиживался за телескопом, который установил у себя на заднем дворе, и глядел в небеса. В ночь на 24 февраля Джонс заметил яркую голубую звезду, явно не относившуюся к Большому Магеллановому Облаку. Он был уверен, что ранее точно не видел этой звезды, поэтому отметил, какое положение она занимает относительно других звезд, расположенных в поле зрения. Прежде чем Альберт смог с уверенностью оценить яркость этой звезды, набежали облака, и звезда исчезла из вида. Джонс предположил, что это, вероятно, сверхновая, поэтому сообщил о ней другим астрономам, посоветовав им также отыскать эту звезду и следить за тем, как она будет меняться. Оказалось, что Джонс действительно открыл ту же самую сверхновую, которую заметили Шелтон и Духальде, – но совершенно независимо от них и на несколько часов раньше.

Сверхновая была замечена и в Австралии – новую звезду обнаружил Роберт Макнот, работавший в обсерватории Сайдинг-Спринг, расположенной примерно в 400 км от Сиднея. Макноту посчастливилось сфотографировать Большое Магелланово Облако в ту же ночь, что и Шелтону в Чили. Макнот сразу проявил фотопластинки с изображениями Облака, но был слишком занят другими делами, поэтому не успел их сразу как следует рассмотреть. Когда ему сообщили о сверхновой по телефону, Макнот помчался к своим пластинкам. На его фотографиях (некоторые из них были отсняты на 15 часов раньше шелтоновских) также просматривался небесный маяк, который было невозможно с чем-либо спутать. Макнот сравнил его положение с более ранними снимками этой области неба и заключил, что звезда расположена ровно на том же месте, где ранее находился голубой сверхгигант Sanduleak –69° 202; эта звезда давно фигурировала в каталогах, и астрономы ее изучали. Таким образом, впервые в истории удалось точно определить, какая именно звезда взорвалась; иными словами, в распоряжении ученых оказались фотографии звезды «до» и «после» взрыва. Астрономы смогли проследить последние стадии эволюции огромной звезды так точно, как никогда ранее.

К 10.00 24 февраля об этом открытии уже знали исследователи со всего мира – кому-то успели позвонить воодушевленные коллеги, другие получили телеграмму из Международного астрономического союза. Всеобщее ликование было связано и с тем, что сверхновая 1987А (именно под таким названием стала известна новая звезда) оказалась первой сверхновой, взорвавшейся в непосредственной близости от нашей Галактики со времен изобретения телескопа – то есть примерно за последние 400 лет. Это была самая яркая и близкая к нам сверхновая, которую удалось увидеть за последние 383 года – с тех пор как в 1604 г. Иоганн Кеплер невооруженным глазом наблюдал в нашей Галактике взрыв другой сверхновой. У астрономов появилась беспрецедентная возможность лицезреть агонию умирающей звезды. В течение следующих часов и дней остатки звезды постепенно растекались с места взрыва, смешиваясь с газом и пылью окружающего межзвездного пространства. Сама сверхновая становилась в нашем небе все менее и менее яркой.

Астрономы спешно задействовали в Южном полушарии целый арсенал мощных оптических, инфракрасных и радиотелескопов. К работе подключилось множество специалистов, особенно из Чили, Австралии и Южной Африки, где располагаются многочисленные современные наземные обсерватории. Исследования велись и при помощи специальной аппаратуры, установленной на борту космических кораблей, – речь идет о телескопах ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов. Объективы всех этих аппаратов были устремлены на Большое Магелланово Облако, где разворачивались беспрецедентные события. В этот период ученые работали не покладая рук, лишь немногие из них могли припомнить подобный аврал. Как восторженно выразился один астрофизик, работа кипела «словно под Рождество».

Джон Бакал, признанный эксперт по моделированию процессов, протекающих в глубине звезд, в тот период работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. Открытие сверхновой произвело на Бакала такое глубокое впечатление, что он даже потерял сон. Причем неслучайно: ведь Бакал знал, что самые первые и, пожалуй, наиболее важные предвестники этого космического катаклизма должны были появиться за несколько часов до того, как астрономы заметили в свои телескопы взрыв сверхновой. Бакал отлично понимал, что, согласно теоретическим моделям звездной эволюции, коллапс звездного ядра (финал существования массивной звезды) должен сопровождаться обильным выбросом нейтрино, которые мчатся из эпицентра взрыва, не встречая на пути практически никаких преград. Последний салют озарит небо позже, когда разлетится внешняя оболочка звезды. Спустя всего несколько минут после известия о сверхновой 1987А Бакал и двое его коллег взялись за расчеты: они собирались вычислить, сколько нейтрино должны были зафиксировать различные детекторы, расположенные по всей Земле. Изначально предполагалось, что эта сверхновая могла быть «ненастоящей»: то есть мы могли наблюдать не окончательную гибель огромной звезды, а так называемую «сверхновую типа 1а». В этом случае взрывается звездный огарок, так называемый белый карлик; это происходит, если он сможет перетянуть на себя достаточно много вещества от крупной звезды-соседки и в результате достигнет критической массы. Но астрономические наблюдения свидетельствовали об обратном, поэтому трое теоретиков взялись за дело. Они определили, что классический взрыв сверхновой должен дать небывалый улов нейтрино – как минимум несколько десятков зарегистрированных частиц. Не прошло и недели, как физики отправили статью с такими выводами в журнал Nature – поэтому их прогноз оказался опубликован раньше, чем были получены результаты из нейтринных обсерваторий.

Тем временем физики-экспериментаторы приступили к анализу данных, записанных на нескольких подземных детекторах по всему миру. Самые благоприятные условия для регистрации нейтрино от этой сверхновой сложились на детекторе Kamiokande; он представлял собой огромный резервуар чистой воды, в стенах которого находились тысячи ФЭУ, которые регистрировали вспышки света, возникающие при столкновении нейтрино с атомами в молекулах воды.

К счастью, этот детектор уже эксплуатировался на полную мощность после коренной доработки, законченной всего двумя месяцами ранее. Многие астрофизики не скрывали волнения, дожидаясь, пока члены коллаборации Kamiokande просканируют в Токио свои магнитные ленты с данными. Поскольку расчеты Бакала и других ученых позволяли предположить, что аппаратура действительно обладает достаточной чувствительностью, чтобы зарегистрировать нейтрино от сверхновой 1987А, отсутствие признаков нейтрино означало бы, что мы в корне неправильно представляем себе механизмы возникновения сверхновых.