Частица-призрак во льдах

Частицы — призраки

Нейтрино — одни из самых распространенных элементарных частиц во Вселенной, которые практически не взаимодействуют с окружающей средой. Это обусловливается тем, что частицы имеют массу, практически равную нулю, а также не несут электрического заряда. Нейтрино находятся повсюду, они способны проходить сквозь Землю и любые объекты. Только через человеческое тело каждую секунду проникает около 100 триллионов таких частиц.

Ученые предполагали, что в космосе находятся объекты, высвобождающие огромное количество энергии, а также процессы, ускоряющие частицы, которые иногда могут давать им в миллион раз больше энергии, чем можно получить в экспериментах на Земле. Эти бурные события создают различные типы излучения, которые несут информацию о космических явлениях. Особенность нейтрино состоит в том, что эти частицы не подвергаются внешним воздействиям и способны проходить огромные расстояния, передавая информацию об источнике в первоначальном виде. Таким образом, они крайне важны для науки, поскольку их изучение позволяет выйти за рамки стандартной модели элементарных частиц и, возможно, приблизит нас к пониманию того, почему после Большого взрыва материи оказалось чуть больше, чем антиматерии.

Еще в 1930 году физик Вольфганг Паули предположил существование нейтрино, когда пытался объяснить, куда уходит часть энергии при радиоактивном бета-распаде. Нейтринная астрономия же зародилась в небольших масштабах в 1960-х годах, когда ученые начали отслеживать потоки таких частиц и связывать их с космическими событиями: например, со взрывом сверхновой в Большом Магеллановом Облаке — соседней с нами галактике. Тогда же выяснилось, что число захваченных нейтрино составляет лишь часть от предсказанного в расчетах.

Еще одна трудность была сопряжена с тем, что количество улавливаемых нейтрино и предсказанных в расчетах не сходилось. Уже спустя десятилетия оказалось, что существуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино, и они способны превращаться из одного типа в другой. Именно поэтому детекторы на Земле регистрировали меньше электронных нейтрино, чем предсказывали модели.

Нейтрино-ловушка во льдах

Еще в 1960-х годах физики предположили, что вода может быть хорошим материалом для захвата нейтрино из космоса. В тех редких случаях, когда частица сталкивается с атомным ядром, образуется заряженная вторичная частица, которая движется в том же направлении, что и исходное нейтрино, и при этом излучает синий свет. Поскольку вода прозрачна, этот свет можно обнаружить, если использовать правильное оборудование, предположили исследователи.

В 1988 году Халзен представил концепцию регистрации нейтрино на Южном полюсе. Он опирался на то, что при столкновении частиц с атомным ядром возникает вспышка света, которую могут зафиксировать датчики, размещенные в толще прозрачного ледникового льда. При этом лед Южного полюса обладает рядом преимуществ: он свободен от различных помех, а сам регион геологически стабилен и не подвержен землетрясениям. Халзен связался со своим коллегой-исследователем Джоном Лирндом, который работал над проектом DUMAND. Цель проекта заключалась в улавливании световых сигналов от взаимодействующих нейтрино в глубоких и чистых океанских водах у Гавайских островов.

Халзен был уверен, что работа на Южном полюсе дает множество преимуществ: там уже находилась исследовательская станция с налаженной системой регулярного транспортного сообщения и всей необходимой для работы команды инфраструктурой. Лед также обладает рядом достоинств как материал. На достаточной глубине царит постоянная темнота. В отличие от океана, здесь нет помех, создаваемых живыми организмами, а уровень содержания радиоактивных веществ крайне низок. Один из недостатков заключается в том, что из-за холода сообщение с Южным полюсом невозможно большую часть года. Все практические работы должны проводиться в течение короткого антарктического лета: с ноября по февраль.

Идея Халзена вскоре получила поддержку и других исследователей, а уже через несколько лет были проведены предварительные испытания датчиков, погруженных в лед.

Как устроена лаборатория IceCube

Исследователям предстояло решить ряд практических задач, связанных с размещением приборов глубоко во льду. Они узнали, что скважины глубиной более двух километров можно бурить с помощью специального устройства, напоминающего сложную душевую лейку: оно подает горячую воду, которая растапливает лед. Затем в заполненную водой скважину можно было опустить длинный кабель с гирляндами световых датчиков. Халзен описывает эти датчики как «лампочку наоборот»: прибор улавливает свет и преобразует его в электрический сигнал. Сначала исследовательская группа провела испытания по погружению датчиков в лед в Гренландии, чтобы убедиться в их способности регистрировать свет от частиц. Затем ученые приступили к созданию первой нейтринной обсерватории на Южном полюсе — предшественницы IceCube под названием AMANDA. Строительство продолжалось до января 2000 года. Система работала исправно, однако ее возможностей было недостаточно для регистрации высокоэнергетических нейтрино, порождаемых космическими ускорителями частиц. Тогда началась работа над проектом IceCube. К концу 2010 года проект достиг проектных размеров: он включал 5160 световых датчиков, распределенных по 86 тросам.

Сегодня IceCube — это детектор объемом в один кубический километр, расположенный на глубине около 2 км в толще полярного льда, недалеко от антарктической станции «Амундсен-Скотт».

Первые открытия и перспективы IceCube

Вскоре после запуска лаборатории исследователи зафиксировали первые нейтрино высоких энергий, а спустя несколько лет смогли объявить об открытии нейтрино, пришедших из-за пределов Солнечной системы. Так начался полномасштабный поиск космических источников частиц.

IceCube уже обнаружила несколько потенциальных источников нейтрино, одним из которых является активная галактика NGC 1068 (также известная как M77). В последние годы исследователи также смогли зафиксировать нейтрино высоких энергий, приходящие из нашей собственной галактики — Млечного Пути. Предполагается, что они рождаются в результате столкновений космического излучения с атомами разреженного межзвездного газа.

Первые исследования нейтрино уже помогли физикам подтвердить свои модели процессов внутри Солнца и того, что происходит внутри сверхновой. Идея IceCube заключается в том, чтобы вывести нейтринную астрономию на новый уровень, получив информацию о явлениях, скрытых за пылевыми облаками, или об объектах, которые находятся настолько далеко, что другие формы излучения утерялись по пути к Земле.

— отмечает Марк Пирс, председатель Нобелевского комитета по физике. Ученые отмечают, что данные с IceCube обеспечат исследователей новыми знаниями об экстремальных условиях, в которых могут рождаться нейтрино высоких энергий, и, возможно, даже позволят обнаружить ранее неизвестные космические явления.