Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Боуэн Марк

По всей видимости, Рейнес пришел к заключению, что выявление нейтрино по методу Черенкова – дело слишком отдаленного будущего. При этом он прекратил попытки выявления атмосферных (или, по его словам, «создаваемых космическими лучами») нейтрино с помощью какого-то иного метода. Это был большой шаг – первая попытка выявить нейтрино, созданные природой, а не реактором или бомбой.

Атмосферные нейтрино возникают таким же образом, что и атмосферные мюоны, – путем распада вторичных частиц (в том числе мюонов), рожденных при столкновении первичных космических лучей с атмосферой. Ниже мы увидим, что эти нейтрино полезны для некоторых областей физики элементарных частиц, однако никак не связаны с астрономией, поскольку место их рождения находится слишком близко к Земле.

В

какой-то момент 1963 года Рейнес узнал об одной докторской диссертации, защита которой прошла в Бомбейском (ныне Мумбайском) университете. В ней выдвигалось предположение о том, что некоторые шахты в индийском золотодобывающем регионе Колар могут быть достаточно глубокими для того, чтобы обеспечить защиту от атмосферных мюонов и возможность выявления атмосферных нейтрино. Рейнес познакомился с индийскими учеными – авторами идеи и даже посетил шахты, о которых шла речь, однако затем все же предпочел самую глубокую шахту в мире – южноафриканскую Ист-Рэнд, расположенную недалеко от Йоханнесбурга. К тому времени он уже покинул Лос-Аламос и возглавил кафедру физики в Технологическом институте Кейс (ныне Университет Кейс-Вестерн-Резерв) в Кливленде, штат Огайо.

В сотрудничестве с группой из Университета Витватерсранда (Йоханнесбург) Рейнес установил крупнейший на то время детектор частиц с 20 тоннами жидкого сцинтиллятора в лаборатории, расположенной в трех километрах под землей. Местные горняки тут же наградили ученых прозвищем goggafangers («ловцы жуков») а самого Рейнеса стали величать makulu bass goggafanger – «большой человек, начальник ловцов»¹⁹⁹.

Идея состояла в том, чтобы выявить мюоны, двигающиеся в горизонтальном направлении через две параллельные стенки сцинтилляторов. Поскольку расстояние между детектором и поверхностью Земли в горизонтальном направлении значительно превышало 3 км, то любой мюон, создаваемый в атмосфере, должен был распасться еще до того, как доберется до детектора. Соответственно, мюоны, которые все же смогут активизировать детекторы, должны были возникнуть из нейтрино в ходе процесса, возникающего где-то в земле между детектором и поверхностью.

К тому времени у Рейнеса появились прямые конкуренты. Группа индийских ученых, которую возглавлял Мамбилликалатил Говинд Кумар Менон и идеи которой Рейнес использовал, установила свой собственный детектор в одной из золотых шахт Колара. Группа Рейнеса обнаружила первый нейтрино естественного происхождения 23 февраля 1965 года (эта дата встречается во многих источниках на тему нейтринной астрономии), а индийцы – примерно через месяц. Однако формальные лавры первооткрывателя получила именно группа Менона, поскольку ей удалось опубликовать свои результаты примерно за две недели до того, как это сделал Рейнес²⁰⁰ (в данном случае факт публикации очень важен, поскольку предполагает, что ученые проделали тщательный анализ результатов и смогли справиться со всеми неопределенностями и потенциальными ошибками интерпретации). Разумеется, не обошлось без споров (порой кажется, что Рейнес просто притягивает к себе скандалы), однако все участники вынесли из случившегося свои уроки²⁰¹.

И если оставить в стороне разные мелкие вопросы, нейтрино вновь продемонстрировало свою застенчивость: группа из университета Кейс зарегистрировала за шесть лет наблюдений всего 167 атмосферных нейтрино²⁰².

* * *

Тем временем семена, посаженные Марковым и Грейзеном, попали в плодородную почву. По всему миру, особенно в США и СССР, ученые-одиночки принялись ездить на далекие озера, погружать в воду короткие нити оптических детекторов и охотиться на мюоны. Одним из таких ученых был молодой Джон Лёрнд, аспирант из Вашингтонского университета.

Джон родился в 1940 году в Платтсбурге, на краю огромного национального парка Адирондак, занимающего значительную долю северной части штата Нью-Йорк. Его дед и бабка жили там в фамильном доме, принадлежавшем семье уже около 150 лет. Когда Джону было шесть лет, его отец-журналист перевез семью на Статен-Айленд, в Нью-Йорк, однако Джон и его брат не забывали о своих сельских корнях, по-прежнему проводя все лето «без особого присмотра» на севере штата:

Мы охотились, удили рыбу, гуляли и разбивали

палатки в лесу там, где хотели. Мы строили в дедушкиной мастерской разные штуки (например, миниатюрные пушки, из которых потом стреляли друг в друга), клеили модели и связывали ножки мухам… Это была идиллия.

Все это развило у Джона страсть к путешествиям, любовь к работе руками и интерес к блужданиям в незнакомом мире – а все это вместе очень похоже на стиль жизни физиков, изучающих космические лучи.

Годы Лёрнда в Бруклинском техническом университете оказались не менее полезными. Он изучил печатное дело, изготовление моделей, возился с разными железками и познакомился с основами литейного производства. В годы учебы в Колумбийском университете он специализировался на физике, а затем несколько лет работал в областях космонавтики и аэрокосмической техники, сначала на востоке в компании General Dynamics, а затем на Boeing в Сиэтле. Через несколько лет, когда руководители Boeing начали уговаривать Лёрнда сосредоточиться на менеджменте, он ушел, потому что ему больше нравилась техническая сторона процесса. И зря: позднее оказалось, что опыт менеджмента ему совсем бы не помешал.

Впервые Джон услышал про этот странный спорт – охоту за нейтрино – на первой же лекции в Вашингтонском университете. А в конце концов сделал это темой своей докторской диссертации и попросил стать своим наставником профессора Говарда Дэвиса:

Это было просто великолепно. По сути дела, я работал в полном одиночестве. Я собрал детектор, отвез его на озеро Челан в Каскадных горах. У меня были там плот и лодка. Я погрузил детектор в воду и занялся расчетами космических лучей как функции глубины и так далее. Там было много интересного. Хотя с точки зрения науки в этом не было ничего особенного, но… У всего на свете есть своя история, послушайте мою.

Как-то раз я был на пристани, грузил вещи на свою маленькую баржу, и вдруг ко мне подходит этот старик и спрашивает с сильным немецким акцентом: «Тшем фы занимаетесь?», ну и всякое такое. Я ему рассказал, а он говорит: «О, а мы делали то же самое на озере Констанц в тысяча девятьсот тридцать… третьем, что ли, году или что-то вроде того – короче, еще до Второй мировой войны».

Оказалось, что фамилия этого старика – Регенер, и он действительно проводил свои опыты в том озере много лет назад. Не помню, что именно он использовал для этого… Вроде бы он погружал в воду счетчики Гейгера или что-то подобное… Но это был по-настоящему забавный момент [голосом старика]: «Я делал все это еще в тридцатые годы!» [Своим голосом]: «Да ладно, не может быть!»

Это была и в самом деле чудесная встреча. Эрих Регенер был одновременно и «ныряльщиком», и «пилотом бомбардировщика» той эпохи, которую Пьер Оже называл героическим периодом физики космических частиц. Он начал бросать свою «бомбу Бодензее» в одноименное озеро (Бодензее – немецкое название озера Констанц) уже в 1928 году. Он охотился не на мюоны; к тому времени они еще не были открыты. Регенер пытался ответить на главный вопрос тех дней: представляют ли собой космические лучи частицы или электромагнитные волны – иными словами, свет. Судя по тому, что Регенер дал своему исследовательскому кораблику латинское имя Undula («маленькая волна», «волнишка»)²⁰³, сам он явно склонялся ко второй гипотезе. Кроме того, Регенер с помощью аэрозондов измерял зависимость интенсивности космических лучей в атмосфере от высоты, однако не был большим любителем полетов. Он придумал, как присоединять автоматические записывающие устройства к своим детекторам, поэтому ему не нужно было самолично подниматься с ними в воздух, как это делал Виктор Гесс, открывший космические лучи 16 годами ранее.

В годы учебы Лёрнд совершенно не представлял себе, как будет развиваться его карьера. Он думает, что лучшая аналогия здесь – не «карабкаться на гору» (что обычно имеет в виду вполне конкретную цель), «а изучение новых и чрезвычайно интересных территорий». Такое отношение к работе очень помогло ему как первопроходцу в области нейтринной астрономии. На озере Челан он сделал первый крошечный шаг в этой области – стал первым, кому удалось подсчитать атмосферные мюоны в открытом водоеме, а не в закрытой емкости или детекторе²⁰⁴.