Або Як пахнуть нейтрино?
— Звідки ви знаєте, що я божевільна? — запитала Аліса.
— Ти повинна бути божевільною, — пояснив Кіт, — інакше ти б не прийшла сюди.
Льюїс Керрол, «Аліса в Країні чудес»
Що більше Всесвіт відкривається для нашого розуміння, то дивнішим він нам здається
Стівен Вайнберг, «Перші три хвилини»
Справді, лише злегка божевільні можуть братися за наукові дослідження, зважаючи на безнадійно складне завдання, яке перед ними постає. А перше і найважливіше питання, на яке має дати відповідь наука: «З чого складається Всесвіт?». Як, ну як на нього відповісти нам, слабким і недовговічним істотам, на малесенькій планеті, що обертається навколо однієї зі ста чи чотирьохсот мільярдів зірок у галактиці, яких у спостережуваному Всесвіті налічується від 100 мільярдів до двох трильйонів? Окрім того, деякі космологи стверджують, що таких усесвітів може бути нескінченна кількість…
Однак, щось ми таки здатні зрозуміти. Дивлячись на дивовижно різноманітний світ, що нас оточує, непросто уявити, що все це складається з лише дванадцяти фундаментальних (або елементарних) частинок з чотирма взаємодіями між ними. Ця неймовірно проста схема була побудована у XX столітті завдяки дослідженням атома, атомного ядра і розігнаних до величезних енергій електронів та протонів. Ці дванадцять частинок та взаємодії між ними чудово і з величезною точністю описує Стандартна модель елементарних частинок і взаємодій.
Але як же ж без дивних речей? «Я зробив жахливу річ, яку ніколи не слід робити фізику-теоретику: я запропонував щось таке, чого ніколи не можна буде перевірити експериментально», — так про свою ідею частинки, яка «рятувала» закон збереження енергії у теорії бета-розпаду атомних ядер, але мала бути невидимою і невловною, висловився у 1930 році її «батько», австрійський фізик Вольфганг Паулі. Але Паулі (відомий іронічним ставленням до фізиків-експериментаторів) недооцінив «божевільність» колег, які не лише наважилися провести дослід для перевірки шаленої ідеї, але й спостерегли цю частинку, яку італійський фізик Енріко Фермі у своїй блискучій теорії слабкої взаємодії назвав «нейтрино». Щоправда, для здійснення такого експерименту довелося чекати ще чверть століття, поки не з’явилися ядерні реактори, потужні джерела нейтрино.
А далі пішло-поїхало. Попри те, що будь-яка матерія для цих частинок є прозорішою, ніж повітря для світла (кілька мільярдів трильйонів сонячних нейтрино щомісяця пролітає крізь наше тіло, та лише два з них якось з ним взаємодіють), сьогодні вчені навчилися вимірювати нейтрино не тільки від ядерних реакторів, а й від Сонця, з космосу, та навіть із земної мантії. Але простими прилади для таких вимірювань не назвеш. Зазвичай вони важать тисячі, мільйони й навіть мільярди тонн, і розміщувати їх доводиться глибоко під землею, у морі, чи навіть у льодах Антарктиди. Лише так вдається захиститися від фонових шумів, джерелом яких є не тільки усі речовини навколо нас, а й космос. Десь у кінці XX століття вдалося не лише виміряти нейтрино доволі точно від різних джерел, а й спостерегти дивне явище зміни їхнього аромату. Ні, не питайте, як вони пахнуть: скоріше як «Шанель № 5», чи як гнилі груші. Бо ж це злегка божевільні вчені придумали, що у нейтрино є аромати. Насправді то просто різні типи нейтрино, які народжуються разом з електронами, чи схожими на них мюонами, чи тау-лептонами. Значення відкриття осциляцій нейтрино важко переоцінити: вперше за десятки років з’явився доказ того, що зі Стандартною моделлю елементарних частинок і взаємодій щось не гаразд. Адже такі перетворення нейтрино можливі, лише якщо ці частинки мають хоч якусь масу. А у Стандартній моделі маса нейтрино точно дорівнює нулю.
Читач уже мав пройнятися ідеєю, що, попри всі зусилля, нейтрино залишається найменш вивченою елементарною частинкою, бо її надзвичайно складно спостерігати. Але водночас учені переконані, що саме нейтрино є ключем для розуміння еволюції нашого Всесвіту. Адже ми досі не розуміємо, чому він такий, який є. Загалом, він не мав би містити матерії, адже кількість утворених у Великому Вибуху частинок і античастинок мала би бути однаковою і вони мали б усі анігілювати, тобто перетворитися на електромагнітні хвилі. Така от сумна рапсодія: без зірок, планет, космічного пилу і газу, без усього, що ми бачимо навколо себе. І от виявляється, що, можливо, саме завдяки нейтрино у Всесвіті виникло усе те, що ми у ньому спостерігаємо. Але за умови, якщо нейтрино є такими, як передбачив неймовірний, із загадковою долею, італійський фізик Етторе Майорана: частинками, античастинки яких від них нічим не відрізняються (а це вам не іграшки, це — новий тип матерії!). Цікаво, що процес, у якому може виявитися майоранівська природа нейтрино, відбувається без нейтрино (але ж ми попереджали, що чим далі ми пізнаємо природу, то більш дивною вона виявляється). Це — безнейтринний подвійний бета-розпад атомних ядер, у якому одночасно з’являються два електрони й, на відміну від інших бета-процесів, не випромінюються нейтрино (пам’ятаєте, що нейтрино було «придумано» саме для порятунку теорії бета-розпаду?).
Пошуки цього процесу тривають уже майже 80 років, і його досі ніхто не бачив. Його спостереження буде революцією у фізиці нейтрино, елементарних частинок і космології, оскільки, крім встановлення майоранівської природи нейтрино, це допоможе визначити його масу, схему масових станів, перевірити закон збереження лептонного числа. Виліт з ядра електронів, але без вильоту нейтрино, означатиме порушення цього закону, одного з фундаментів Стандартної моделі частинок. То ж недарма на пошуки цього розпаду спрямовані зусилля багатьох великих міжнародних колаборацій у підземних лабораторіях в усьому світі.
Група з відділу фізики лептонів Інституту ядерних досліджень НАН України (ІЯД НАНУ) працює над цією проблемою з кінця сімдесятих років минулого століття і має чималий досвід. За цей час уперше досліджено понад половину з близько сімдесяти видів ядер, для яких можливий такий розпад. Водночас двонейтринна мода розпаду (яка не заборонена Стандартною моделлю, але дуже рідкісна) виміряна зараз з точністю, про яку навіть не мріяли сорок чи навіть двадцять років тому. Слово «рідкісна», мабуть, не передає всю глибину питання: навіть найнестабільніші з досліджуваних ядер мають час життя, що у сотні мільйонів разів перевищує вік Всесвіту, тобто з мільярда ядер за мільярд років розпадеться лише одне. Дві великі міжнародні колаборації — одна виконує дослідження у підземній лабораторії в Італії (проєкт CUPID), а інша у Південній Кореї (проєкт AMoRE) — використовують для пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду кристали молібдату літію, вперше запропоновані саме українською групою, яка бере участь в обох експериментах. А однією з основних задач обох колаборацій є зниження частоти випадкових збігів подій у детекторах і боротьба з накладанням подій від двонейтринної моди розпаду на шуканий пік безнейтринного розпаду. Обидва ці ефекти також уперше «помітили» й дослідили вчені з України. Це здається дивним, але двонейтринний розпад, найбільш рідкісний з відомих людству радіоактивних процесів, виявляється одним з найсуттєвіших шумів, що заважають побачити його ще не відкритого безнейтринного побратима.
Сьогодні у світі тривають справжні перегони проєктів з метою спостерегти безнейтринний подвійний бета-розпад. Кілька великих міжнародних колаборацій розробляють або вже будують надзвичайно складні установки, які мають одночасно відповідати низці вимог: мати у складі детектора певний ізотоп, якомога точніше вимірювати енергію електронів від шуканого розпаду, мати якомога нижчий радіоактивний фон. Остання задача є найскладнішою, оскільки вимагає довгих і ретельних вимірювань наднизьких рівнів радіоактивності у різних матеріалах, розроблення нових методів аналізу даних, а іноді принципово нових ідей щодо конструкції детекторів. І тут внесок української групи важко переоцінити. Адже в активі науковців з ІЯД десятки досліджень різних детекторів, методів обробки даних, кілька оглядів експериментальних методик. Ці роботи суттєво впливають на розроблення великомасштабних проєктів, які зараз перебувають на етапі спорудження.
Наприклад, однією з таких ідей, яка нещодавно стала основою для європейського проєкту BINGO, була пропозиція використання сцинтиляційних кристалів за температур усього в кілька тисячних градуса близько абсолютного нуля, як активного захисту для збірок низькотемпературних болометричних детекторів. Це дасть змогу вести пошук безнейтринного подвійного бета-розпаду ядер молібдену-100 і телуру-130 з чутливістю до маси нейтрино, меншою за дві соті електронвольта — у сто разів менше енергії фотонів видимого світла.
Збірка з кристалами молібдату літію у мідних тримачах перед охолодженням до кількох тисячних градуса від абсолютного нуля на глибині близько 1,7 кілометра у підземній лабораторії Модан, Франція.
Збірка з кристалами молібдату літію перед встановленням у низькофонову установку в підземній лабораторії Ян’ян у Південній Кореї. Ідею використовувати кристали молібдату літію для дослідження властивостей нейтрино в подвійному бета-розпаді молібдену в експериментах, що виконуються двома великими міжнародними колабораціями, запропонували вчені з України;
Ще одним дуже неординарним результатом, опублікованим на початку цього року (хоча сам експеримент було розпочато майже п’ятнадцять років тому), є вказівка на перше у світі спостереження двонейтринного подвійного бета-розпаду не на основний рівень дочірнього ядра, а на перший збуджений зі спіном 2+. Особливість цього розпаду полягає в тому, що усі були переконані, ніби спостерігати його неможливо: його ймовірність було розраховано теоретично у тисячі разів нижче чутливості, досяжної у сучасних експериментах. Але нові теоретичні розрахунки, виконані за допомогою досконалішої моделі, показали, що попередні розрахунки були помилковими. І таке буває… Зараз розпочата підготовка більш чутливого досліду з метою підтвердити або спростувати цей неординарний результат, дуже важливий для розвитку теорії.
Всередині детектора нейтрино Борексіно перед заповненням його рідким сцинтилятором. Детектор Borexino являє собою багатошарову сферичну структуру висотою 17 метрів та радіусом приблизно 9 метрів, що містить 280 тонн рідкого сцинтилятора всередині, оточеного 2200 фотоелектронними помножувачами, буферною рідиною та великим зовнішнім резервуаром, що містить 2400 тонн надчистої води.
Спостереження осциляцій нейтрино були «спровоковані» експериментом, у якому вчені намагалися виміряти нейтрино від Сонця. В експерименті у закинутій золотій шахті Хоумстейк у Південній Дакоті вчені вимірювали потік нейтрино від Сонця, який виявився прикро малим: близько однієї третини від теоретично передбаченого. Кажуть, що робітники, які забезпечували функціонування лабораторії, заспокоювали керівника проєкту Раймонда Девіса: «Пане професоре, не переживайте, що нейтрино від Сонця так мало, адже у цьому році погода була хмарною як ніколи!». «Проблема сонячних нейтрино» (а саме так назвали занадто малий потік нейтрино від Сонця, який спостерігали Девіс із колегами) була остаточно розв’язана на початку XXI століття завдяки відкриттю осциляцій нейтрино.
Зараз нейтрино від Сонця виміряні з великою точністю, зокрема за допомогою проєкту Борексіно, у якому ІЯД НАНУ бере участь з кінця 90-х років. Виміряно потік нейтрино від берилію-7, бору-8, протон-протонного циклу (основного процесу виділення енергії) в Сонці. За допомогою цього унікального детектора вперше виконано пряме спостереження вуглецево-азотного (CNO) термоядерного циклу, що є вторинним у Сонці, але відповідає за більшу частину енерговиділення у масивних зірках Головної послідовності та у сучасному Всесвіті у цілому. Зареєстрований спектр CNO-нейтрино підтверджує Стандартну сонячну модель з високою металічністю. Вчені часто жартують, що ми знаємо про Сонце, далекі галактики й квазари набагато більше, ніж про те, що відбувається всередині Землі. І це справді так. Тому величезним досягненням детектора Борексіно стала реєстрація нейтрино від мантії Землі, так званих геонейтрино. Цікавим результатом Борексіно є також перше вимірювання параметрів орбіти Землі на основі потоку сонячних нейтрино. Звісно, що параметри орбіти Землі відомі з величезною точністю з даних різних астрономічних спостережень. Але виміряти їх за допомогою нейтрино… Ще одним визначним результатом цієї нейтринної обсерваторії став пошук нейтрино від нещодавно зареєстрованих джерел гравітаційних хвиль та гамма-сплесків — гігантських за величиною виділеної енергії катаклізмів десь у глибинах космосу, причину яких ми ще далеко не до кінця розуміємо. Загалом, з детектором Борексіно виконано багато цікавих спостережень, недарма їх результати опубліковані у трьох статтях у журналі Nature.
Свинцеві баластні камені, знайдені біля узбережжя Чорного моря серед уламків грецького корабля, що затонув у першому столітті до Різдва Христового в 2009 році. Кристал вольфрамату свинцю (виготовлений з археологічного свинцю у співпраці з Інститутами Фізики твердого тіла, матеріалознавства і технологій та Сцинтиляційних матеріалів у Харкові) перед вимірюваннями оптичних характеристик (справа). Матеріал показав високі характеристики для використання у проекті RES-NOVA, метою якого є дослідження нейтринного сигналу від вибухів наднових зірок за допомогою кристалів вольфрамату свинцю з археологічного свинцю при наднизьких температурах в підземній лабораторії Гран Сассо в Італії.
Раніше ми писали про складність досліджень нейтрино через надзвичайну малу ймовірність взаємодії цих частинок з матерією. І справді, детектори нейтрино зазвичай важать тисячі, мільйони й навіть мільярди тонн. Але, виявляється, можна побудувати детектор нейтрино вагою усього близько тонни! Така мізерна «обсерваторія» для дослідження нейтрино від вибухів наднових у нашій Галактиці можлива завдяки нещодавно спостереженому явищу когерентного розсіяння нейтрино на ядрах дуже важких елементів. У проєкті RES-NOVA, який дістав підтримку Європейської дослідницької ради (European Research Council, ERC), планується використовувати сцинтиляційні кристали вольфрамату свинцю за наднизьких температур для дослідження нейтринного сигналу від наднових зірок. Учені з ІЯД НАНУ були запрошені в колаборацію завдяки їхнім дослідженням дуже низькорадіоактивного археологічного свинцю, знайденого біля узбережжя Чорного моря серед уламків грецького корабля, що затонув у першому столітті до Різдва Христового. Свого часу українські вчені дослідили зразки цього свинцю, розробили (у співпраці з Інститутом сцинтиляційних матеріалів НАНУ) сцинтилятори з цього матеріалу, дослідили їх властивості та рівень радіоактивної чистоти. Навряд чи моряки з корабля, що віз різні вантажі та рабів з якоїсь грецької колонії у Криму до Греції, думали, що баластні камені з їхнього затонулого корабля усього за дві тисячі років після їхнього трохи невдалого плавання будуть використані для дослідження механізмів вибуху наднових зір, вивчення властивостей нейтрино і слабкої взаємодії, пошуків темної матерії та інших неймовірних речей.
Федір ДАНЕВИЧ, виконувач обов’язків головного наукового співробітника відділу фізики лептонів Інституту ядерних досліджень НАН України;
Владислав КОБИЧЕВ, завідувач відділу фізики лептонів Інституту ядерних досліджень НАН України;
Володимир ТРЕТЯК, провідний науковий співробітник відділу фізики лептонів Інституту ядерних досліджень НАН України.
P.S Серія праць науковців з Інституту ядерних досліджень НАН України Ф.А. Даневича, В.В. Кобичева, В.І. Третяка «Властивості нейтрино і фундаментальних взаємодій в еволюції Всесвіту» подана на здобуття премії НАН України імені Г.А. Гамова.
Читайте також: