Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Боуэн Марк

Все известные частицы, за исключением нейтрино, абсорбируются километрами [толщи Земли] и, таким образом, полностью экранируются планетой… Примечательно, что в ходе эксперимента можно выявить не только -мезоны [мюоны] (от реакций с участием нейтрино), возникающие в самом детекторе, но и -мезоны с примыкающих слоев земли (так называемой подушки).

Это было первое описание телескопа, предназначенного для того, чтобы ловить нейтрино, прошедшие свой путь сквозь всю планету. И именно этот метод отлично работает для целей проекта AMANDA и телескопа IceCube.

В своем примечательном выступлении в Беркли Грейзен предрекал будущее развитие

высокоэнергетической нейтринной астрономии… Нейтрино

будут передавать новый тип астрономической информации, отличной от той, которую переносят световые и радиоволны¹⁸⁸.

А в конце уже ставшей классикой обзорной статьи на тему потоков космических лучей¹⁸⁹, опубликованной в декабре 1960 года, он предложил «разместить глубоко под землей большой черенковский счетчик, около 15 метров в диаметре». Поскольку такой инструмент обладал бы очень небольшим значением углового разрешения, то он представлял бы собой скорее детектор, а не телескоп – зато его можно было подготовить к работе и получить нужные результаты быстрее, чем прибор, предложенный Марковым.

Оба этих провидца уделяли особое внимание вопросу обнаружения -мезонов, или мюонов. Нужно сказать, что они значительно опережали в своих размышлениях других исследователей, поскольку в 1960 году еще не было доказано, что мюонные нейтрино вообще существуют. Они были найдены только через два года командой физиков, в которую входил тот самый Леон Ледерман, который сыграл важную роль в открытии принципа несохранения четности¹⁹⁰. Экспериментальный метод, требовавший необычайно мощного для того времени ускорителя, был изобретен Бруно Понтекорво в России раньше, чем эта идея пришла в головы команде Ледермана¹⁹¹, однако советским ученым так и не удалось его реализовать (в отличие от американцев), так что именно Ледерман и его товарищи получили в 1988 году Нобелевскую премию по физике. Несмотря на то что в основе их работы лежали идеи Понтекорво, сам он не вошел в число лауреатов.

Принцип, лежащий в основе концепций Маркова и Грейзена (по сути дела, это третий метод выявления нейтрино), состоит в следующем: когда мюонное нейтрино сталкивается с нуклоном и создает мюон путем обратного бета-распада, то новорожденный мюон будет быстро удаляться от места гибели своего родителя почти в том же направлении, что и нейтрино, – примерно так же, как бильярдный шар после прямого удара шара-битка, – и будет излучать при этом слабое голубое «черенковское излучение». Установив набор оптических детекторов внутри или вокруг определенного носителя по своему выбору, экспериментатор может определить направление мюона и, соответственно, его родителя-нейтрино. По этой причине обе концепции имеют общее название «детекторов Черенкова».

Эта форма излучения названа в честь русского физика Павла Алексеевича Черенкова, получившего за ее открытие в 1958 году часть Нобелевской премии по физике. Излучение возникает каждый раз, когда заряженная частица, например мюон, движется в преломляющей среде быстрее скорости света. Самым распространенным примером излучения выступает жутковатый синий свет, возникающий в бассейновых ядерных реакторах или при погружении в воду отработанных ядерных батарей. В этих случаях свет создается электронами, излучаемыми при бета-распаде многих радиоактивных побочных продуктов уранового реакторного топлива.

Если вы сейчас вспоминаете постулат специальной теории относительности Эйнштейна о том, что ничто не способно перемещаться быстрее скорости света, то не беспокойтесь – в данном случае постулат никак не нарушается. Эйнштейн говорил о скорости света в вакууме. В рефракционной среде, такой как вода, лед, стекло или даже воздух, свет будет двигаться не так быстро, поэтому в таких средах скорость частиц иного рода может оказаться выше, то есть общий закон не нарушается.

Черенковское излучение представляет собой оптический эквивалент звукового удара, который возникает, когда реактивный самолет «преодолевает звуковой барьер», то есть начинает двигаться быстрее скорости звука. Поскольку звук не может догнать самолет, он движется вслед за ним точно так же, как волны, расходящиеся по воде под углом позади скоростного катера. В ситуации с тремя измерениями – как в случае реактивного самолета или ускоряющегося мюона – звуковые или световые волны принимают форму конуса, а не V-образную форму, как волны позади катера. Иными словами, мюон «тащит» за собой конус черенковского излучения. Если бы мюон проходил сквозь проекционный экран, то в этот момент на экране появлялось бы пятно света, которое тут же превращалось бы в крошечный кружок. Затем этот кружок постепенно бы рос и

становился менее ярким по мере того, как мюон удалялся бы от экрана.

В сущности, основное различие между концепциями Грейзена и Маркова связано с геометрией. Идея Маркова состояла в том, чтобы поместить трехмерную сетку оптических детекторов в естественный водоем и наблюдать за тем, как мюоны, рожденные нейтрино, будут проходить сквозь нее. Давайте договоримся называть такой тип конструкции марковской или «пудинговой»¹⁹², поскольку детекторы в ней расположены внутри так называемой зоны обнаружения.

Идея Грейзена состояла в том, чтобы окружить рукотворную емкость с водой оболочкой из детекторов, и в этом случае детекторы будут очевидным образом располагаться за пределами зоны обнаружения. Такой тип конструкции мы назовем «конструкцией Грейзена» или «оболочковой» конструкцией. В обоих случаях, чем больше зона обнаружения у детектора, тем более чувствительным он будет, поскольку повышается вероятность того, что сквозь него пройдет нейтрино или рожденный последним мюон.

Давайте сейчас перенесемся на несколько десятилетий вперед и представим себе конус черенковского излучения, тянущийся за мюоном в то время, как тот проходит сквозь IceCube. Конус – это трехмерный вариант волн от лодки, плывущей по поверхности тихого озера. Трехмерная сетка оптических детекторов, которую ученые помещают внутрь льда, по своей сути аналогична двухмерной сетке из поплавков, плавающих на поверхности озера. По мере того как лодка будет проходить мимо поплавков, они начнут колебаться вверх и вниз. Если вам известна скорость волн, то с помощью простых алгебраических и геометрических построений вы можете определить скорость и направление движения лодки – для этого достаточно знать время, в которое волны ударяются о тот или иной поплавок. Точно таким же образом ученые, работающие с IceCube, восстанавливают направление и скорость невидимого мюона, проходящего сквозь трехмерный детектор. Фрэнсис Халзен объясняет это так:

Представьте себе, что вы летите над озером на самолете. Возможно, вы и не увидите саму лодку, но волны скажут вам, где она находится и куда направляется.

Причина, по которой Марков и Грейзен сосредоточились на мюонах, а не на электронах, заключалась в том, что они понимали, какую частицу проще выявить. Дело в том, что мюон обладает достаточной массой и, соответственно, импульсом для движения по прямой практически в любой среде; электрон, масса которого в 200 раз меньше, будет отклоняться под воздействием электрических полей расположенных неподалеку ядер и начинает колебаться на расстоянии нескольких метров от места своего рождения. С каждым колебанием электрон создает так называемое тормозное излучение: фотоны, которые, в свою очередь, при наличии достаточной энергии создадут пары электрон-позитрон. Эти вторичные пары также начнут колебаться и создавать еще больше тормозного излучения, будут появляться все новые пары и так далее. В результате (в конкретном случае IceCube) возникнет так называемый каскад¹⁹³: короткая сигарообразная вспышка света, пропорциональная по своему объему энергии электронного нейтрино, создавшего ее, и указывающая в направлении, в котором двигалось это нейтрино.

Помимо того что длинный и прямой след мюона увидеть намного проще, чем каскад, представляется возможным более точно определить его направление. Соответственно, мы получаем более точное направление движения его родительской частицы – нейтрино. След мюона более полезен для целей астрономии, поскольку он позволяет лучше понять, от какого космического объекта летело нейтрино. Высокоэнергетические мюоны (порожденные высокоэнергетическими нейтрино) имеют и еще одно преимущество – перед своим распадом они могут пролететь несколько километров сквозь лед или камень. Именно это имели в виду Марков и Железных, говоря о «подушке»: «пудинговая» конструкция позволяет выявить мюон, даже если он зародился на большом расстоянии от сетки детектора. Помните, что мы ищем мюоны, направленные вверх, то есть те, что были созданы нейтрино где-то к северу от Южного полюса. IceCube может выявить мюон, рожденный во льду или на материковом грунте снизу или сбоку от устройства, поскольку рано или поздно путь мюона будет заметен внутри сетки приборов. Это увеличивает рабочий объем детектора и в целом делает данный тип инструмента более чувствительным именно к мюонным, а не электронным нейтрино.