Ответ на этот вопрос могут дать частицы, пронизывающие каждый атом нашего тела триллионы раз в секунду, при этом оставаясь неуловимыми. Это космические нейтрино – реликтовые посланники момента рождения Вселенной. Их обнаружение станет величайшим прорывом в космологии. Физик Мартин Бауэр предлагает смелый план, как эти частицы можно поймать.
Какой была Вселенная в момент своего рождения? Некоторые ученые представляют начало как невообразимо горячую, плотную точку первородной плазмы (так называемая теория Большого взрыва). В этом крошечном кипящем котле субатомные частицы сталкивались с чудовищной силой. Атомы не могли образоваться – их тут же разрывало. Этот первозданный бульон был абсолютно непрозрачен. Фотоны, частицы света, не могли пролететь даже ничтожно малого расстояния, они тут же сталкивались или поглощались.
Вселенная расширялась и остывала. Плазма редела. Вероятность взаимодействия фотонов с частицами падала. Ключевой момент наступил через 380 000 лет после Большого взрыва. Фотоны наконец вырвались на свободу. Свет смог беспрепятственно путешествовать по космосу. Эти реликтовые фотоны до сих пор наполняют Вселенную. Мы знаем их как космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) – самый древний свет, доступный наблюдению.
Открытие CMB стало случайностью. В 1964 году Роберт Уилсон и Арно Пензиас настраивали знаменитую рупорную антенну для приема радиоволн от спутников. Теория Большого взрыва тогда вызывала споры. Ученые зафиксировали постоянный фоновый шум со всех сторон. Он не исчезал ни днем, ни ночью.
С тех пор измерения CMB достигли высокой точности. Оно показывает нам Вселенную в возрасте 380 000 лет – младенца по сравнению с нынешними 13,8 миллиардами лет. Мы видим плотные сгустки – будущие галактики. Паттерны излучения рассказывают о соотношении радиации, обычной материи и темной материи в раннем космосе.
CMB – древнейший свет, который мы когда-либо видели. Но существует другой, неиспользованный источник информации о первых мгновениях. Он позволит заглянуть гораздо глубже в прошлое.
Призраки Вселенной: сила неуловимости
Нейтрино – элементарные частицы. Мы знаем об их существовании давно. Вольфганг Паули предсказал их в 1930 году для объяснения бета-распада. Экспериментально их зарегистрировали в 1956 году. Нейтрино рождаются постоянно в процессах радиоактивности. Даже обычный банан испускает потоки нейтрино при распаде атомов калия.
Но нейтрино уникальны своей невероятной легкостью, он практически не взаимодействует с материей. Они проходят сквозь планеты и звезды, словно призраки. Через ваше тело каждую секунду пронизывают 100 триллионов нейтрино. Вы этого не чувствуете.
Именно это "равнодушие" делает их ключом к разгадке тайны «первой секунды Вселенной». В горячей плотной плазме ранней Вселенной фотоны постоянно сталкивались с частицами. Нейтрино же могли свободно перемещаться уже в первую секунду после Большого взрыва. Теория предсказывает: нейтрино, рожденные в этот момент, немедленно вырвались из первородного тумана. Они до сих пор путешествуют по космосу. Мы называем это космическим нейтринным фоном (CNB), или реликтовыми нейтрино.
Сокровищница CNB: кино вместо фотографии
Обнаружение CNB станет революцией. Оно откроет совершенно новое окно в прошлое. Чтобы понять почему, нужно знать разницу между фотонами и нейтрино.
Фотоны не имеют массы. Все они движутся со скоростью света. Нейтрино обладают массой, хотя и ничтожно малой. Существует три типа нейтрино, каждый со своей, чуть отличной, массой. Из-за этого реликтовые нейтрино летят к нам с разными скоростями. Все они примерно в 1000 раз медленнее света.
Путешествуя сквозь космос, нейтрино отклоняются гравитацией массивных объектов – галактик, скоплений галактик. Этот эффект, гравитационное линзирование, знаком по свету. Но фотоны, летящие с одинаковой скоростью, отклоняются в зависимости от массы объекта в один конкретный момент времени, когда фотон пролетает мимо.
Нейтрино же движутся с разными скоростями. Они проходят мимо массивных объектов в разные моменты времени. Если бы мы могли сканировать небо, регистрируя космические нейтрино, мы увидели бы крупномасштабную структуру Вселенной в разные эпохи ее эволюции. Проще говоря: CMB дает черно-белый снимок юной Вселенной в 380 000 лет. CNB предоставит полноцветное 3D-кино, охватывающее гораздо более ранние времена.
Мы никогда не видели CNB напрямую. Но их существование логично следует из теории Большого взрыва – так же неизбежно, как и CMB. Само их отсутствие стало бы сенсацией, опровергающей стандартную космологическую модель и требующей новой физики. Поиск CNB – не прихоть, а необходимость.
Словить призраков: почему это невероятно сложно
Проблема – в энергии. Эксперименты регистрируют нейтрино от Солнца, сверхновых, земных реакторов. Эти частицы обладают относительно высокой энергией. Энергия же реликтовых нейтрино, остывших за 13,8 миллиардов лет расширения Вселенной, в миллиард раз меньше, чем у самых низкоэнергетических нейтрино, которые мы когда-либо детектировали. Поймать их – задача колоссальной сложности.
Первую идею предложил нобелевский лауреат Стивен Вайнберг в 1962 году. Его вдохновили эксперименты 1950-х, впервые зафиксировавшие нейтрино (не реликтовые).
Физика процесса: при столкновении нейтрино с атомом оно может поглотиться. Энергии столкновения иногда хватает на превращение протона атомного ядра в нейтрон. Количество протонов определяет химический элемент. Значит, рождается новый элемент – верный признак взаимодействия нейтрино.
В 1970 году Раймонд Дэвис-младший и Джон Бакалл реализовали эту идею для солнечных нейтрино. Они заполнили бак 380 000 литрами перхлорэтилена (жидкость, богатая хлором). Нейтрино, превращая хлор (17 протонов) в аргон (18 протонов), оставляли след. Мешали космические лучи – высокоэнергетические частицы из космоса, способные вызывать аналогичные реакции.
Ученые разместили детектор в заброшенном золотом руднике Хоумстейк в Южной Дакоте, почти в 1500 метрах под землей. Грунт экранировал космические лучи. Нейтрино легко проходили сквозь толщу породы и превращали часть хлора в аргон. Подсчет атомов аргона позволил измерить поток солнечных нейтрино. В 2002 году Дэвис и Масатоси Косиба (усовершенствовавший метод) получили Нобелевскую премию.
Вайнберг предложил адаптировать метод для космических нейтрино. Но их энергии слишком малы для превращения протона в нейтрон в стабильных атомах. Ученый обратился к тритию – радиоактивному изотопу водорода (ядро: 1 протон + 2 нейтрона). Тритий нестабилен.
Он самопроизвольно распадается: один нейтрон превращается в протон, испуская электрон с определенной энергией. Если же ядро трития поглотит реликтовое нейтрино до распада, энергия испускаемого электрона увеличится на величину энергии нейтрино. Вайнберг рассудил: если измерять энергию электронов от распада трития с экстремальной точностью и обнаружить аномально энергичные электроны, это будет сигналом поглощения космического нейтрино.
Осуществить это невероятно сложно. Эксперимент с 100 граммами трития даст всего 4 поглощения нейтрино (и, следовательно, 4 аномально энергичных электрона) в год. Это ничтожно мало на фоне 100 триллионов низкоэнергетических электронов, испускаемых каждую секунду при естественном распаде трития. Обнаружить эти 4 "лишних" электрона практически невозможно. Современные технологии не обеспечивают нужной чувствительности. Международный проект PTOLEMY работает над прототипом такого детектора, но путь долог.
Альтернативная охота: от маятников до космических лучей
Физики предлагали и другие методы:
- Торсионный маятник (Рувен Офер, 1974): Идея – измерить крошечное давление потока космических нейтрино на специальный зонд-маятник. Проблема: взаимодействие нейтрино с веществом ничтожно слабо. Требуемая чувствительность измерения давления превышает современные возможности в миллиард раз.
- Космические лучи как индикатор (Томас Вайлер, 1984): Высокоэнергетические нейтрино, сталкиваясь с атмосферой Земли, порождают космические лучи (мюоны, например), которые мы детектируем. Существует редкий процесс: реликтовое нейтрино может столкнуться с таким высокоэнергетическим нейтрино и аннигилировать. Это приведет к уменьшению числа регистрируемых космических лучей. Теоретически, "провал" в их потоке укажет на присутствие CNB. Реализация – огромная удача. Для надежного обнаружения эффекта детектор должен работать столетия.
Все существующие планы поимки CNB сталкиваются с фундаментальными трудностями. Главная – ничтожно малая энергия реликтовых нейтрино.
Радикальный план Бауэра: ускорить мишень
С Мартином Бауэром и его аспирантом Джеком Шерголдом родилась новая идея. Она обходит главное препятствие: низкую энергию нейтрино.
Традиционные детекторы используют огромные резервуары с неподвижными атомами. Они ждут столкновения с относительно быстрыми и энергичными солнечными или атмосферными нейтрино. Реликтовые нейтрино движутся медленнее и обладают мизерной энергией. Столкновения с неподвижными мишенями почти не оставляют следов.
Мы не можем ускорить нейтрино. Но что, если ускорить мишень? Если атомы мишени двигаться навстречу нейтрино с огромной скоростью, энергия их столкновения возрастет. Возможно, до уровня, достаточного для детектирования.
Проблема: атомы электрически нейтральны. Электромагнитные поля мощных ускорителей (вроде Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе) воздействуют только на заряженные частицы.
Решение есть: ионизация. Если оторвать у атома один или несколько внешних электронов, он превращается в положительно заряженный ион. Ионы можно разгонять стандартными ускорительными технологиями. Отсутствие электрона слабо влияет на вероятность взаимодействия с нейтрино, которое "работает" с ядром.
Шерголд и Бауэр рассчитали сценарий: мощный ускоритель разгоняет огромное количество ионов. Через ускоритель постоянно пронизывают потоки реликтовых нейтрино (как и через все на свете). При определенных условиях столкновения разогнанного иона с нейтрино могут дать достаточно энергии для регистрации события.
Вызовы радикального плана
- Масштаб Ускорителя: Если использовать реакцию превращения хлора в аргон (как в Хоумстейке), потребуется ускоритель с энергией в миллион раз большей, чем у БАК. Это абсолютно нереалистично при нынешних технологиях и финансах.
- Поиск Оптимальных Ионов: Не все реакции требуют гигантских энергий. Альтернатива – разгонять ионы гелия. При столкновении с нейтрино гелий может превращаться в тритий. Для этого "достаточно" ускорителя всего в 100 раз мощнее БАК. Задача фантастическая, но теоретически не запредельная. Над созданием ускорителей нового поколения (например, на основе новых технологий ускорения) уже работают.
- Интенсивность Пучка: Требуется разгонять не отдельные ионы, как в коллайдерах для поиска новых частиц, а невероятно плотные потоки – триллионы триллионов ионов в секунду. Современные источники ионов и системы инжекции для таких плотностей не рассчитаны.
- Выбор "Чувствительных" Ионов: Ключ к успеху – найти ионы, ядра которых наиболее эффективно взаимодействуют с нейтрино именно при низких энергиях столкновения. Это позволит снизить требования к энергии ускорителя и интенсивности пучка. Поиск таких "идеальных" ионов – отдельная сложнейшая задача теоретической и ядерной физики.
Post Scriptum
Поиск космического нейтринного фона – вызов на грани возможного. План Бауэра и Шерголда – не гарантия успеха, а новое направление атаки на проблему, казавшуюся неразрешимой. Он использует проверенные принципы детектирования нейтрино (ядерные превращения) и существующие технологии ускорения, пусть и в экстремальном масштабе.
Как и открытие бозона Хиггса или гравитационных волн, обнаружение CNB потребует десятилетий упорной работы, технологических прорывов и международной кооперации. Возможно, ключом станет усовершенствование метода Вайнберга с тритием. Может быть, реализуется план с ускорением ионов. Или появится совершенно неожиданное решение.
Но награда оправдывает любые усилия. Уловить эти призрачные частицы – значит получить прямой доступ к информации о Вселенной в возрасте одной секунды. Мы сможем проверить самые основы космологии, понять природу нейтрино, их массу и роль в эволюции космоса. CNB – это не просто фон. Это живая запись самого начала всего. Охота за реликтовыми нейтрино – это охота за истоками нашего существования.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» (5336 6902 0053 5906), либо через Дзен по ссылке.
