[Перевод] Подлёдная ловля нейтрино
Невежественные везунчики на самом дне Земли
Однажды днём в феврале 2000 года после долгого бурения мы с Брюсом Кочи сидели на песке в кратере вулкана на вершине Килиманджаро на высоте 5600 м. Мы сидели, прислонившись спинами к рюкзакам и наблюдали закат, и Кочи предавался воспоминаниям о своей карьере.
«Я занимаюсь этим делом не для того, чтобы быть бурильщиком. Я ненавижу машины. Я, возможно, один из немногих инженеров в мире, который так к ним относится. Я их ненавижу. Редкие случаи ярости, которые случались со мной, происходили из-за машин, которые делают не то, что должны делать».
«Я занимаюсь этим из-за опыта. Я занимался греблей на байдарках, потом уволился из хорошей аэрокосмической компании, и решил заняться экологией, а потом вернулся в инженерное дело через гляциологию, начиная с Миннесоты. Я всегда еду куда-то только из-за самого места, но не из-за бурения. Я сделаю всё возможное, чтобы бурение прошло хорошо, потому что это значит, что я смогу отправиться в какое-нибудь ещё хорошее место».
Лаборатория IceCube на антарктической станции Амундсен-Скотт. Это детектор частиц, который ищет нейтрино, исходящие из самых ярких астрофизических источников — взрывающихся звёзд, всплесков гамма-лучей, катаклизмов с участием чёрных дыр и нейтронных звёзд. До него там был детектор AMANDA.
Научной степени в гляциологии он не получил, и у него, как он вспоминает, «очень быстро заканчивалось время, когда вдруг мне позвонили и сказали, что университет Небраски-Линкольна ищет человека с инженерной степенью, разбирающегося в гляциологии. Так что я созвонился с ними, меня взяли на работу по телефону в середине октября, а уже через две недели я сидел в самолёте, летящем на шельфовый ледник Росса.
Шельфовый ледник Росса плавает на поверхности моря рядом с антарктической станцей Мак-Мердо и обеспечивает стабильную платформу для аэродрома станции, поля Уильямса. Это крупнейший плавучий массив льда на планете, размером сравнимый с Францией. Впервые Брюс был там антарктическим летом 1977–1978 годов.
Университет Небраски-Линкольна получил контракт от национального научного фонда на бурение скважины через 60 м ледяного шельфа, чтобы группа учёных могла изучить скрытый под ним океан. Буром служила струя пламени, используемая в горной промышленности для резки кристаллического камня. Она состояла из двух компрессоров весом по 4,5 тонны, подающих воздух под давлением в 70 атмосфер на модифицированный реактивный двигатель — по сути, гигантскую горелка Бунзена — опускаемый в колодец с мутной водой, плюющийся пламенем и недогоревшим дизельным топливом.
«Ну, — сказал Брюс, — она ужасно грохочет. Много шума, много дыма, куча грязи. Но она пробурила ледяной шельф довольно быстро. Получилась дыра порядка 45 см в диаметре, так что учёные смогли опустить туда свои штуковины и провести свои эксперименты».
В последовавшее десятилетие он помогал гляциологу Чарли Бентли из Висконсинского университета в Мэдисоне бурить множество небольших отверстий буром из горячей воды — в общем, гигантским садовым шлангом — в различных частях Антарктики, чтобы Бентли затем смог бросать в отверстия динамит и заниматься сейсмическими экспериментами. Он навострился в сложном искусстве бурения ледяных кернов, в котором полая трубка-бур с гладкими внутренними стенками, резьбой снаружи и острыми зубьями внизу периодически погружается в лёд, чтобы вырезать сегменты и вытянуть их наверх, по метру за раз. Он бурил ледяные керны в Гренландии и многих местах Антарктики, включая и полюс —, а также нашёл время для изобретения высотного бурения ледяных кернов.
К весне 1990 Брюс стал одним из лучших специалистов. Он участвовал в трёх десятках буровых экспедиций и был самым лучшим практическим специалистом по бурению льда во всех его видах на планете. Когда директор министерства полярных ледяных кернов США Джон Келли пришёл к Брюсу и спросил, интересно ли тому будет помочь группе физиков пробурить немного скважин в Гренландии, чтобы изучить возможности постройки нейтринного телескопа на Южном полюсе, он ухватился за этот шанс. «Конечно!» — вспоминает он свои слова. «Это самый интересный проект, о котором я только слышал! Если надо, я не буду спать и буду работать по ночам».
В августе 1990-го Боб Морзе, физик из Висконсинского университета, и Том Миллер, выпускник Калифорнийского университета в Беркли, отправились в Гренландию, чтобы провести первую подлёдную рыбалку на мюоны. Их рыболовные снасти состояли из трёх фотоэлектронных умножителей, добытых Морзе.
Сенсор, опущенный в скважину во льду
Брюс подготовил скважину, которую он пробурил прошлым летом. Поскольку скважины во льду схлопываются из-за давления льда, он пробурил её до глубины в 217 метров. Физики опустили туда свою леску, и провели первую часть измерений. Затем они решили, что хотят увеличить оптическую связь между фотоумножителями и льдом, и спросили, нет ли у буровиков какой жидкости, которую можно залить в скважину. На Гренландских высотах незамёрзшие жидкости в дефиците, но у них оказались огромные запасы бутилацетата, используемого для предотвращения коллапса скважины. Они залили его внутрь, чтобы хватило на покрытие лески, и провели повторные измерения.
«Не знаю, почему нам показалось, что надо вытаскивать леску, — говорит Боб, —, но мы её вытащили, и вдруг увидели эту густую синюю слизь, покрывавшую всё. Бутилацетат растворил оплётку проводов, и окрасил весь снег и жидкость поблизости в красивый пурпурно-синий цвет. Мы подумали, будет ли у нас вообще хоть какой-то свет проходить через неё. Мы сфотографировали фотоумножители перед опусканием, а потом после опускания, и на второй фотке он выглядит как большой виноградный фруктовый лёд. Синяя жидкость была у меня в перчатках, в одежде, на лице. Это был краситель, который использовался для кабеля. Электричество работало, но вот оптически мы не были уверены в том, что натворили».
Молодая команда проекта AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) [антарктический массив детекторов мюонов и нейтрино], в которую входили Тим Миллер, Бьюфорд Прайс, Эндрю Вестфал, Стив Барвик, Фрэнсис Хальцен и Боб Морзе [Doug Lowder, Tim Miller, Buford Price, Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen, Bob Morse], отправили в журнал Nature письмо, опубликованное в сентябре того года. Фрэнсис считает, что это «письмо запустило эксперимент», продемонстрировав, что идея использовать полярный лёд в качестве детектора нейтрино «всё ещё была безумной, но не слишком».
В письме можно прочесть, что «скважину заполнили бутилацетатом, органической жидкостью, выбранной из-за низкой температуры замерзания и оптической чёткости». Никаких упоминаний о синей слизи. «Результаты мы нашли вдохновляющими, и планируем провести более глубокие эксперименты на Южном полюсе наступающим южным летом».
Вот с такими препятствиями и недостатками и проводят научные эксперименты. Как писал Боб Морзе:
Гренландия — прекрасный пример эксперимента, состряпанного на скорую руку, чтобы не упустить открывшуюся возможность. Были совершены ошибки, и получены неидеальные данные, которые всё равно пригодились, как может пригодиться неудача при правильном подходе. Это небольшой эксперимент, предшествовавший проекту AMANDA, обладал всеми признаками созданных позднее проектов AMANDA и IceCube. Пришедшие позже успехи были получены только благодаря отладке систем размещения и получения данных —, но эта задача была нетривиальной. Редкий пример того, как организации, финансировавшие эксперимент, больше доверяют данным (пусть и неидеальным), чем многие экспериментаторы.
Фрэнсис добавляет, что «ясно, что мы понятия не имели, что делаем, поэтому это и было настоящее исследование, правда?»
Он подозревал, что «у многих людей возникала подобная идея, но они лучше меня разбирались в гляциологии, и, очевидно, решили, что это не сработает. Если бы мы реально понимали, что делаем, мы бы, вероятно, вообще не стали этим заниматься. И, как оказалось, множество вещей, которые мы должны были знать, оказались неверными».
Отопительная установка на 5 МВт на буровой IceCube. По шлангам идёт горячая вода, от отопительной установки туда, где в данный момент бурят лёд. Шланг, используемый для бурения, имеет в длину почти 3 км, и намотан на большую катушку в центре.
На лекциях, которые он читает сегодня молодым учёным, он иногда использует ранние дни проекта AMANDA в качестве примера для афоризма: «Не читайте книги, занимайтесь делом. Лучше всего быть невежественным везунчиком». Оригинальные открытия обычно совершают молодые люди, не знакомые с общепринятым знанием. Он считает, что смог сделать нечто оригинальное в своём возрасте далеко за 40 только потому, что чувствовал себя «снова молодым», в смысле наивности. «Только когда ты ещё невежда и не прочёл все книги, ты можешь сделать что-то оригинальное и новое».
Он входил в мир экспериментов, не управляемый незамутнённой логикой теории. В экспериментах приходится не только учитывать множество практических и стратегических моментах — иногда лучше всего перестать думать на минутку и просто сделать что-нибудь.
Если бы он прочитал авторитетный учебник по оптике льда и воды, он бы «узнал», что длина поглощения синего света в чистом льду — расстояние, на котором поглощается порядка двух третей света — составляет порядка 8 метров. И тогда бы всё закончилось. Они бы вернули фотоумножители и поехали домой. Если бы излучение Черенкова на самом деле поглощалось на таком коротком расстоянии, то для заполнения кубического километра льда потребовалось бы порядка 2 млн фотоумножителей, и только на них ушло бы порядка $6 млрд. К счастью, книга очень сильно ошибалась. Они получили приблизительное значение в 18 метров из гренландских данных, и хотя эта цифра тоже оказалась неверной, это был шаг в нужном направлении.
Через несколько лет, когда они всё ещё пытались понять лёд, но уже получили признаки того, что длина поглощения на самом деле была даже больше 18 метров, библиотека из Мэдисона по ошибке доставила в офис Фрэнсиса книги, предназначавшиеся кому-то другому. Он, естественно, начал их просматривать, и когда дошёл до сведений о восьмиметровой длине поглощения, то ощутил, как по его спине пробирается холодок.
Южной весной 1991 года Боб Морзе, Брюс Кочи, Стив Барвик и Тим Миллер отправились на юг, чтобы провести первое бурение для AMANDA. Эксперимент PICO, искавший прямые свидетельства существования тёмной материи, также отправил на задание буровую команду, в которой состоял и Билл Барбер — высокий, добродушный, невозмутимый и невероятно сильный британец.
Они хотели использовать шланг с соплом на конце, чтобы распылять параллельным потоком горячую воду, после чего форсунка должна была просто погружаться в плавящийся лёд под воздействием гравитации. При бурении горячей водой вам нужно очень много очень горячей воды, идущей под высоким давлением, и шланг большого диаметра с хорошей теплоизоляцией стенок, чтобы вода оставалась горячей по пути вниз, и передавала как можно больше тепла через форсунку в лёд. Правда, нужно соблюсти баланс и дать убежать некоему количеству тепла через боковые стенки, чтобы в верхней части скважины вода не замерзала. Однажды Брюс указал на то, что как не бывает слишком больших нейтринных телескопов, так и «не бывает слишком больших буров с горячей водой, поскольку лучший бур — такой, который бурит скважину мгновенно». Это, конечно, воображаемый бур — доставляющий неограниченное количество тепла почти мгновенно —, но суть он передаёт: вам нужно очень много тепла и огромный шланг.
Брюс знал, что у их установки, названной «Баки-1», были серьёзные ограничения по обоим параметрам. Диаметр шланга составлял всего 2,5 см, а отопительная станция, содержавшая несколько котлов, стоявших на улице прямо на льду, выдавала всего 0,5 МВт энергии. Первый бур с горячей водой, который он использовал на шельфе Росса, использовал станцию на 2 МВт. «Мы знали, что у Баки-1 есть ограничения, но какие именно, мы точно не знали, поскольку это был вообще первый раз, когда кто-либо пытался бурить настолько холодный и глубокий лёд». Он подсчитал, что когда они пройдут 1000 м, тепло, уходящее из-за потерь по длине шланга, превысит выдаваемую станцией мощность. Иначе говоря, нижняя часть шланга может замёрзнуть. Он мог играть в разные игры, пытаясь не дать ему замёрзнуть, например, постоянно поднимать и опускать его, чтобы подогревать воду в только что сделанном отверстии, но это потребует дополнительного горючего, да и вообще будет довольно трудно сделать.
«Бурение горячей водой не для слабаков, — говорит он. — Мы пытаемся поддерживать температуру минимум в 50 градусов, а это не всегда приятно».
Команда проекта AMANDA привлекала всех своими ваннами, в которых разогревалась вода для бурения. Пока научный фонд не пресёк это дело, они устраивали вечеринки в горячих ваннах на месте бурения. И хорошо, что они развлекались, поскольку само бурение шло так себе.
На второй скважине они пожадничали и попытались опуститься ниже 1000 м. Это привело к наихудшему исходу, который можно ожидать от горячего бурения.
«У нас застрял Баки-1, — вспоминал потом Боб. — Он там по сию пору находится».
«Ага, как метка для радара», — сказал Брюс.
Боб спал в своей арктической палатке Джеймсвейза, когда бурильщик из PICO, Дэйв Кестор, просунул свою голову за занавеску и прошептал, что у него плохие новости. Поскольку одна из трёх смен в лагере постоянно пытается заснуть, в «Летнем лагере» постоянно поддерживают тишину.
«Что нам делать? — Спросил Дэйв. — Спускать туда наши инструменты или нет?»
«Бог ты мой, не знаю, — ответил Боб. — Думаю, придётся. Мы уже столько вложили в эту дыру. Надо сделать всё, что можем».
Он вылез из кровати и отправился на поиски Стива Барвика. «Я говорю: «Стив, у них там бур застрял». Стив взбесился и начал орать — он не знал, где Тем Миллер, поэтому он пошёл заглядывать в каждую палатку в три часа утра, и орал изо всех сил: «Тим Миллер? Тим Миллер, где тебя носит, чёрт возьми? Где ты шляешься?» И я подумал, что сейчас какой-нибудь здоровенный двухметровый рабочий просто встанет и пришибёт Стива. Я думал, ему крышка».
PICO отвёл на бурение только две смены, каждая из которых работала по 12 часов, и бур застрял у ночной смены. Брюс был в дневной, и хотя он всё равно особо не спал во время бурения — ходил рядом, оставался в курсе событий, даже не в свою смену — он как раз спал, когда случилась неприятность. И у них не только застрял бур, у них ещё и прекратился поток воды в шланге. Это, наверное, единственная ситуация с бурением горячей водой, из которой нет выхода.
«Любой, кто когда-нибудь бурил горячей водой, хоть раз в жизни допускал ошибку и недодавал достаточного количества тепла», — говорил позже Брюс. Он решил, что им повезло дойти даже до такой глубины.
Они попытались вытащить его при помощи бульдозера Caterpillar D7.
Боб сказал, что «этот чёртов шланг натянулся, как струна от скрипки. Он сжался до половины своего диаметра. Только у Билла Барбера хватило смелости пойти туда и стоять, когда шланг торчал из этой дыры, а потом взять пилу и разрезать его. И мы увидели, как этот шланг исчезает в дыре со скоростью звука, и услышали такое «фьююююююю».
И вот в такой ситуации, когда конец бура и довольно большая часть шланга исчезли в скважине, они последовали совету сонного Боба и опустили туда леску с оборудованием. По какой-то причине — шланг застрял, или скважина оказалась слишком узкой — она прошла только 150 м. Затем они начали волноваться о том, что свет с поверхности может пробраться до детекторов и перекрыть любые мюонные сигналы, которые они могли бы получить. Фотоумножители были чрезвычайно чувствительными; они работали на уровне единичных фотонов, то есть могли обнаруживать отдельные частицы света.
«Я огляделся, и сказал: «Нам надо заткнуть дыру. Чем бы её заткнуть?», — вспоминает Боб. — У нас был асбест, и зелёные мешки для мусора. Экологи бы кирпичей отложили, если бы узнали об этом: я начал засовывать асбестовую изоляцию в мешки, чтобы они приобрели объём, и швырял их в дыру, пытаясь сделать затычку от света. Думаю, что бросил туда три или четыре — столько, сколько у меня было».
Экспериментальная физика, со всеми недостатками и проблемами.
Марк Боуэн — писатель и физик. Писал для журналов Climbing, Natural History, Science, Technology Review, AMC Outdoors, и участвовал в проектах AMANDA и IceCube с 1998 года. Отрывок из книги «Телескоп во льдах» [The Telescope in the Ice], 2017.
