Книга Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Хальцен вырос в Бельгии и в молодости мечтал стать школьным учителем. Однако в университете он всерьез увлекся физикой и полностью посвятил себя науке. Проработав несколько лет в CERN, Хальцен перебрался в Висконсинский университет Мэдисона, где около 40 лет занимал должность профессора. Занимаясь теоретической физикой, Хальцен сначала исследовал некоторые проблемы квантовой механики, но в середине 1980-х заинтересовался нейтрино. О том, что в Антарктике все активнее ведутся исследования, связанные с нейтрино, Хальцену поведали коллеги из Канзасского университета, когда он выступал там с лекцией. Хальцен узнал, что советские ученые, работающие на одной из полярных станций, пытаются фиксировать электрические вспышки, возникающие в результате столкновения космических нейтрино с полярным льдом; для чего используют радиоантенны. Хальцен счел подобный эксперимент очень интересным и, заручившись помощью двоих сотрудников, взялся рассчитать, насколько сильными могут быть такие сигналы. Результаты оказались неутешительными: выяснилось, что радиоимпульсы от большинства таких «толчков» слишком слабы, чтобы их зафиксировать. Группа Хальцена пришла к выводу, что советские эксперименты обречены на провал. Они решили, что скорее имеет смысл фиксировать вспышки света во льду, свидетельствующие о пролете нейтрино. Сам же Хальцен был убежден, что если разместить систему светочувствительных датчиков в толще антарктического льда, то такая установка будет отлично улавливать нейтрино, прилетающие из глубин космоса.

Хальцен загорелся идеей соорудить в Антарктиде совершенно новый нейтринный телескоп. Он связался по электронной почте с несколькими коллегами-физиками и поинтересовался, что они думают о подобном проекте. Среди тех, кто получил письмо Хальцена, был и Джон Лирнид, сотрудник Гавайского университета. Лирнид происходит из старинного новоанглийского рода, среди его предков был, в частности, один из генералов, участвовавших в Войне за независимость США. Детство Лирнида прошло на острове Статен-Айленд близ Нью-Йорка, лето он проводил на севере штата Нью-Йорк, у бабушки и дедушки. Как вспоминает сам Лирнид, ему нравилось чувствовать себя чужаком в обоих этих мирах: «В деревне меня считали городским, в городе – деревенским». В старших классах Джон трудился в школьной газете, а также работал на метеорологической станции, установленной прямо на крыше школы. Лирнид вспоминает, как однажды вызвался организовать передвижную естественно-научную выставку, «потому что это была отличная отмазка, чтобы не сидеть в классе». Позже, будучи студентом Бруклинской средней технической школы, Лирнид посещал множество практических курсов, которые помогли ему поднатореть в экспериментальной физике. Он продолжил обучение в аспирантуре Вашингтонского университета, где исследовал перспективы изучения в подводных установках космических лучей и составляющих их частиц. Лирнид сконструировал баркас, поставил его на якорь посреди озера Челан и погрузил детекторы частиц в глубокую чистую воду.

Окончив аспирантуру, он стал работать на исследовательской станции Эхо-Лейк в Скалистых горах, на территории штата Колорадо. Там он жил в деревянной хижине с женой и двумя детьми. Именно в этот период Лирнид серьезно заинтересовался нейтрино, а позже перебрался на Гавайи – там ученый надеялся развернуть огромную решетку подводных нейтринных ловушек прямо в тихоокеанских водах. Гавайские острова имеют вулканическое происхождение, поэтому океан здесь очень глубокий. Учитывая интересы и опыт Лирнида, неудивительно, что Хальцен решил проконсультироваться с ним насчет установки нейтринных датчиков в толще вековых антарктических ледников.

Коллеги обсудили достоинства хэлзеновского проекта. «Лирнид сразу же оценил потенциальные преимущества антарктического нейтринного телескопа», – свидетельствует Хальцен. Судите сами: полярный лед чистый, стабильный, стерильный, не пропускает свет, в нем не живут биолюминесцентные организмы, которые могли бы испортить эксперимент своими «световыми помехами». Наконец, во льду нет морской соли, а значит – и элементов, испускающих радиоактивное излучение в процессе распада (эти лучи легко спутать со следами нейтрино). Не менее важен был тот факт, что Национальный научный фонд США (NSF) уже имел исследовательскую базу в районе Южного полюса, поэтому мог оказать необходимую логистическую поддержку. Хальцен, воодушевившись энтузиазмом Лирнида и его помощью в моделировании детекторов, объявил об их общем проекте на конференции, состоявшейся в Польше, а также подробно описал будущую лабораторию в статье, вышедшей в 1987 г. Правда, на этом он и остановился, так как, будучи теоретиком, не имел опыта реализации таких масштабных экспериментов и не решался браться за столь титаническую задачу.

Хальцен вспоминает об одном телефонном разговоре, который состоялся примерно через год после этих событий: ему позвонил взбешенный чиновник из Национального научного центра. Клерк пожаловался, что двое молодых физиков, работавших в Калифорнийском университете города Беркли, пытались провезти в Антарктиду целую связку ФЭУ и вставить их в ледяную скважину, не имея на это официального разрешения. Чиновник спросил Хальцена, не он ли вбил парням в голову «эту безумную идею». Хальцен заверил собеседника, что слыхом не слыхивал о двоих физиках из Беркли, которые, очевидно, побывали в Польше на конференции, где Хальцен и Лирнид обсуждали свой проект.

Позже Хальцен вышел на контакт с группой коллег из Беркли, чтобы вплотную приступить к реализации идеи. Сначала ученые проверили ее осуществимость, опустив 200-метровый трос с тремя ФЭУ в скважину, пробуренную гляциологами во льду Гренландии. Затем они приступили к работе над пилотным проектом AMANDA[6], профинансированным NSF. Работа развернулась в 1992 г., когда в Южном полушарии стояло лето. Физики позаимствовали технологию, которой пользуются при сверлении льда ученые-гляциологи: из бура, как из огромного душа, под давлением подается горячая вода, растапливающая лед и упрощающая тем самым бурение. Скважина не замерзает несколько дней; этого времени достаточно, чтобы опустить в нее кабель с датчиками.

В сочельник 1993 г. исследователи погрузили в лед первую партию ФЭУ. В этот вечер Хальцен был в Бельгии, встречал Рождество в семейном кругу. Как теоретик он не был обязан присутствовать на месте работ. Правда, и для Хальцена в этот вечер решалось очень многое; во время праздничного ужина он частенько поглядывал на экран ноутбука, проверяя, не пришло ли ему новое электронное письмо с Южного полюса. Позже Хальцен писал: «Достаточно сложно жить не отрываясь от телефона, постоянно связываясь с коллегами, работающими на другом конце света. Но если сознаешь, что ты – член большой команды, вместе с которой участвуешь в невероятном приключении, знаешь, что твои спонсоры и коллеги с нетерпением ожидают результата, а ты сам абсолютно не властен как-то повлиять на этот результат – то сложно придумать более изощренную пытку». Как только к столу подали десерт, Хальцену пришло сообщение о том, что установка успешно запущена.

Ликовать коллегам пришлось недолго, так как они почти сразу же столкнулись с неожиданными проблемами. В частности, ФЭУ регистрировали слишком много голубых вспышек от мюонов, порождаемых космическими лучами. Исследователи полагали, что под 800-метровый слой льда, где установлены датчики, не должны проникать мюоны, порождаемые космическими лучами. Те немногие мюоны, которые они рассчитывали зафиксировать на такой глубине, явно должны были высекаться нейтрино, приходящими снизу, с другой стороны Земли. На практике все оказалось иначе; по словам Хальцена, система регистрировала «какую-то бессмысленную мешанину». Но труднее всего оказалось справиться с пузырьками воздуха, заключенными в толще льда; они рассеивали нейтринные вспышки, из-за чего выявить сами частицы становилось гораздо сложнее. Оказалось, что на такой глубине пузырьков еще очень много, причем они были примерно в 50 раз крупнее, чем предполагалось в теории. Поэтому основной проект был отложен, а команда принялась продумывать необходимые доработки. Было принято решение бурить еще глубже, опуская датчики на полторы-две тысячи метров в толщу льда. На таких глубинах голубые вспышки, означающие встречу с нейтрино, должны были бы просматриваться лучше, поскольку высокое давление гарантированно вытесняло бы из этой толщи льда почти все пузырьки воздуха.