Не только детекторы. Экскурс в прикладную физику нейтрино
Фундаментальная наука иногда кажется настолько оторванной от повседневной реальности, что хочется вдохновляться, как минимум, масштабностью ее проблем или зрелищностью экспериментов и установок. Типичным примером такой научной дисциплины, которая ассоциируется с абсолютной фундаментальностью и при этом грандиозностью, является изучение нейтрино.
Немного истории
Нейтрино — это совокупное название группы легчайших элементарных частиц, относящихся к фермионам. Существование нейтрино было предсказано Вольфгангом Паули в 1930 году, а экспериментально подтверждено в 1956 году Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом. При этом Паули лишь неформально, в виде чистой гипотезы, предположил, что «имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином ½. Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона». Таким образом он пытался объяснить наблюдаемую природу бета-распада. Он назвал такую неоткрытую частицу «нейтроном». Только через два года, в 1932, Джеймс Чедвик открыл в атоме крупную элементарную частицу, сравнимую по массе с протоном, и назвал ее «нейтрон», а неуловимый фермион Паули впоследствии удостоился названия «нейтрино» (нейтрончик) с легкой руки Энрико Ферми.
С тех самых пор нейтрино окружены ореолом загадочности в силу своих поразительных свойств. Они всерьез и надолго обосновались в научной фантастике — так, Кельвин, главный герой «Соляриса», предполагает, что именно из нейтрино разумный океан формировал своих фантомов, в том числе, фантом Хари, возлюбленной Кельвина. Вкратце напомню основные уникальные и парадоксальные аспекты нейтрино:
Долгое время продолжалась дискуссия о том, обладают ли нейтрино массой. При наличии массы у этих частиц они не вписываются в Стандартную модель физики частиц. Соответственно, это означает, что физика не ограничивается Стандартной Моделью, а за пределами Стандартной Модели существует еще и Новая Физика, изучение которой начнется с нейтрино. Сегодня известно, что нейтрино имеют ненулевую массу, примерно в шесть миллионов раз меньше, чем у электрона.
Нейтрино практически не взаимодействуют с веществом — именно поэтому Паули и допускал, что они никогда не будут открыты. Поэтому детекторы нейтрино, которые иногда называют «нейтринными обсерваториями» устанавливаются глубоко в толще воды, льда, горных пород. Такая толща служит уловителем практически для всех прочих элементарных частиц, поэтому высока вероятность зафиксировать в детекторе именно нейтрино, как солнечные, так и астрофизические, возникающие, например, при взрывах сверхновых.
Как и у всех частиц, у нейтрино существует своя античастица — антинейтрино. Отличия свойств нейтрино и антинейтрино помогают пролить свет на отличия вещества и антивещества в целом и, возможно, позволят выяснить, почему во Вселенной существует колоссальная асимметрия между количеством вещества и антивещества, куда подевалось почти все антивещество — ведь, теоретически, после Большого Взрыва они должны были образоваться в равных количествах.
С этими и другими темами мне довелось познакомиться подробно и достаточно давно. В 2014–2015 году я работал переводчиком в издательстве «Альпина Нон-Фикшн», и в этот период, в первые несколько месяцев 2015 года, перевел книгу Рэя Джаявардханы «Охотники за нейтрино». На тот момент мне казалось, что эта тема слишком академична и сложна для широкой читательской аудитории, но книга оказалась настолько интересной, а я так надолго увлекся этой темой, «когда она еще не была мейнстримом», что возвращаюсь к ней до сих пор. Разброс рассматриваемых тем, связанных с нейтрино, впрочем, меняется слабо. Пишут о новых детекторах, все более точных измерениях массы и скорости нейтрино, о космологической ценности этих исследований. Не буду здесь углубляться в эти аспекты, поскольку они хорошо и подробно рассмотрены на русском языке (и при этом богато иллюстрированы). Но позволю себе привести список статей с Хабра, которые вышли уже после книги Джаявардханы и кажутся мне наиболее интересными:
BAIKAL-GVD. Охотники за нейтрино (2.02.2020). Пост автора @DNLP о кластере глубоководных детекторов нейтрино, устанавливаемых в озере Байкал. Отличный материал с большим количеством видео и техническими деталями. На самом деле, идея использовать Байкал в качестве естественного водного резервуара гениальна, а географическое расположение детектора позволяет в большом количестве отлавливать нейтрино, прилетающие к нам со стороны Южного полюса. Аналогичный, совсем свежий материал недавно вышел на сайте «Медузы».
«Вещество и антивещество: что это такое, в чем разница и при чем тут нейтрино» (24.09.2019). Автор — @Bars21. Подробный разбор парадокса #3 из вышеприведенного списка.
«Поймай меня, если сможешь: радиоволны, каскад частиц и лед для поимки нейтрино» (11.03.2020) Пост автора @Dmytro_Kikot, дающий представление о подледном лове нейтрино.
«Как неудавшийся ядерный эксперимент случайно породил нейтринную астрономию» (15.07.2018) — перевод с английского от редактора Хабра @SLY_G. Действительно, в тематических источниках зачастую умалчивается, что знаменитые нейтринные детекторы в шахтах Камиока в Японии (Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande) были оборудованы на месте совершенно другого физического мега-эксперимента, не увенчавшегося успехом, и переориентация этого комплекса на изучение нейтрино — во многом счастливая случайность.
Итак, завершая такое пространное вступление, я перейду к сути этой статьи. При всей важности нейтрино в качестве диагностического инструмента в теоретической физике, ядерной физике, космологии и астрономии, для этих неуловимых частиц уверенно просматриваются возможности практического применения. Именно о них пойдет речь в оставшейся, наиболее интересной части статьи.
Нейтрино и телекоммуникация
Идея об использовании нейтрино в качестве носителя информации привлекательна в силу того, что нейтрино беспрепятственно проникают через любой материал. Таким образом, они могли бы служить надежным носителем информации в таких средах, где распространение электромагнитных волн затруднено или невозможно.
В 2010 году было высказано предположение, что нейтрино могут применяться для однонаправленной связи с субмаринами, постоянно находящимися в подводном положении. Пучок нейтрино можно было бы направить в расположенный в условленной точке океана детектор. При попадании нейтрино в такой детектор рождались бы мюоны, испускающие излучение Черенкова, а подводная лодка могла бы считывать переданную информацию при помощи детекторов, проходя мимо при патрулировании зоны. В источнике такая точка именуется «почтовый ящик»; указано, что в силу почти полного отсутствия помех на такой глубине, «ящиков» в заданной зоне могло бы быть несколько, а скорость передачи информации в «мюонное хранилище» (muon storage) могла бы составлять более 100 бит/с.
Предыдущий пример подсказывает, что наибольшую проблему в данном случае составляет вычленение сигнала из шума, то есть, необходимость создания детектора, который различал бы информативную последовательность нейтрино на фоне нейтрино естественного происхождения. Кроме того, в примере с подводными лодками не удается уйти от пропускания пучков нейтрино через толщу воды, которой в данном случае служит сам океан. Но сохранились сведения о работах, предполагающих нейтринную коммуникацию без использования водного резервуара. В 2016 году исследовательская лаборатория Pirelli в Милане опубликовала материал о том, что с начала 2000-х ведутся работы по синтезу кристаллов кремния или кварца, используемых в качестве детекторов нейтрино. Кристалл охлаждается почти до абсолютного нуля, и при попадании пучка нейтрино температура этого кристалла немного возрастает, что можно зафиксировать при помощи приборов. Такие детекторы были бы не только гораздо компактнее водных резервуаров, но и обеспечивали бы когерентное рассеяние полученных нейтрино, и их осцилляции затем можно было бы считывать и расшифровывать. Правда, пока ни о каких практических результатах этих исследований не сообщается
Широкую известность получил эксперимент, поставленный в 2012 году в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилабе) в Чикаго — в ходе упоминаемого эксперимента ученым действительно удалось передать в пучке нейтрино информацию, а именно закодировать слово «neutrino». Информация была передана с мощнейшего современного генератора нейтрино NuMI на расстояние более километра и зафиксирована детектором MINERvA. Вот как процесс проиллюстрирован на рис. 1 к упоминаемой научной статье:
Несомненно, перед нами лишь proof-of-concept (доказательство осуществимости), показанное почти 10 лет назад, но развитие нейтринной телекоммуникации ограничено техническими, а не фундаментальными сложностями. Таким образом, подобные технологии вполне могут стать реальностью.
Нейтрино и контроль над использованием ядерных реакторов
Одним из самых распространенных источников нейтрино на Земле являются ядерные реакторы. Предпринимаются попытки устанавливать уловители нейтрино (точнее — антинейтрино) вблизи от ядерного реактора, на расстоянии в пределах 10 метров, для изучения свойств этих частиц. О таком эксперименте подробно рассказано в интервью д.ф.-м.н. Дмитрия Наумова, зам. директора по научной работе Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. При этом Наумов отмечает, что по свойствам улавливаемых антинейтрино можно достоверно определить, не используется ли реактор для производства оружейного плутония-239. Любая компания, занимающаяся эксплуатацией ядерного реактора, обязана предоставлять данные о том, сколько плутония получает в ходе работы, и нейтрино позволяют проверить эти данные. Впрочем, существовали гораздо более фантастичные проекты, связанные с нейтринным шпионажем. В 2010 году группа французских физиков во главе с Тьерри Ласьерром опубликовала статью о том, как, регистрируя потоки нейтрино, можно обнаруживать незадекларированные ядерные реакторы. Более того, авторы предлагали устанавливать нейтринные детекторы на кораблях и следить за развитием ядерных программ Ирана и Северной Кореи, заходя в прибрежные воды этих государств.
Нейтрино и геологические изыскания
Эта прикладная возможность отчасти смыкается с предыдущей — предполагается, что детекторы нейтрино полезны при поиске месторождений урана и тория. Но гораздо более интересные возможности открываются при измерении свойств солнечных нейтрино, которые, как было указано выше, свободно пронизывают Землю насквозь. Изучая изменение осцилляций нейтрино при их прохождении через толщу пород можно было бы проводить «томографию» литосферы, находить в ней полости, анализировать плотность веществ, заполняющих эти полости. Такая технология открыла бы путь к обнаружению глубоких месторождений нефти. В частности, подобные идеи исследованы в статье перуанских ученых, опубликованной в 2015 году. Предполагается, что для такой цели могли бы использоваться не только солнечные нейтрино, но и направленные пучки нейтрино, сгенерированные искусственно. В таком случае геологоразведочные работы можно было бы существенно ускорить, затрачивая на поиск месторождений не годы, а месяцы. Впрочем, на момент публикации статьи еще не существовало столь мощных генераторов нейтрино, которые позволили бы воплотить эту технологию.
Впрочем, спектрометрия литосферы с использованием нейтрино вновь возвращает нас от прикладных задач, решаемых при помощи нейтрино, к фундаментальным. При наличии достаточно точных детекторов нейтрино можно было бы подробно изучить не только состав земной коры и распределение химических элементов в ней, но и продвинуться в исследовании свойств и состава земного ядра. Нейтринное зондирование позволило бы проверить (и окончательно опровергнуть?) даже весьма сомнительную теорию о существовании естественных ядерных реакторов в недрах планеты, но в эту тему я точно углубляться не буду.
Заключение
Надеюсь, у меня получился по-настоящему приземленный рассказ об исследовании нейтрино в XXI веке, и читатели убедились, что эти удивительные частицы важны отнюдь не только в космологии и теоретической физике. Если вам известны какие-то иные попытки практического применения нейтрино и технологии на их основе — давайте поговорим об этом в комментариях.
