«Мы бродили вслепую»

Почему нейтринный Нобель не достался российским ученым

Лодка - лучший транспорт, чтобы перемещпться внутри детектора. Фото: Анатолий Буткевич, личный архив

Для большинства людей Нобелевские открытия, конечно, важные, но зачастую малопонятные и уж точно далекие от обычной жизни вещи. На самом деле за этими работами порой стоят совершенно удивительные истории и судьбы людей. «Чердак» рассказывает, как были открыты осцилляции нейтрино и почему российские ученые не получили за них Нобелевку.

Девятого ноября 2015 года были объявлены лауреаты премии Breakthrough Prize, которую учредил российский инвестор-миллионер Юрий Мильнер совместно с другими предпринимателями. Лауреатами награды по физике стали аж 1377 человек — участники пяти коллабораций, изучающих нейтринные осцилляции. Двое из награжденных — канадец Артур Макдональд и японец Такааки Кадзита — получают уже вторую крупнейшую научную награду за несколько месяцев. В октябре за свои работы по нейтринным осцилляциям они удостоились физической Нобелевки.

В чем смысл открытия, «Чердак» уже подробно объяснялздесь можно послушать сверхкороткое — всего четыре минуты — объяснение, за что присудили все три естественно-научных Нобеля 2015 года). Но открытие осцилляций не просто важнейшая фундаментальная работа — это настоящий научный детектив, приключенческая история блужданий в неизвестности, случайных совпадений, надежд и поражений. «Чердак» рассказывает, какая удивительная история скрывается за короткой формулировкой «за открытие нейтринных осцилляций, которые доказали, что у нейтрино есть масса».

Частица-призрак

Нейтрино — пожалуй, самые загадочные из известных физикам элементарных частиц. Их придумал в далеком 1930 году великий физик Вольфганг Паули. У него никак не получалось описать радиоактивный бета-распад при помощи уже имеющихся частиц, и в качестве, как он сам говорил, крайнего средства ученый придумал, что внутри ядра прячутся очень легкие и пока неизвестные электрически нейтральные частицы. Паули постулировал, что при распаде ядра эти частицы уносят с собой лишнюю энергию, которую до этого физики никуда не могли «пристроить».

Сам Паули не слишком верил в правдивость забавной выдумки, но, к его удивлению, уже через четыре года другой великий физик Энрико Ферми отлично приспособил нейтрино (а это были именно они) для своей красивой и стройной математической модели бета-распада. У физиков почти не оставалось сомнений, что нейтрино существуют, но вот обнаружить их не удавалось аж до середины 1950-х, когда американцы Клайд Коуэн и Фредерик Рейнес зарегистрировали нейтрино в потоке частиц от одного из первых ядерных реакторов «Саванна-Ривер» в Южной Каролине (за эту работу в 1995 году Рейнес получил Нобелевскую премию; Коуэн до вручения не дожил).

Утвердившись в статусе реальных частиц, нейтрино продолжили удивлять ученых, например тем, что они все время куда-то бесследно исчезали. Хотя в обычной жизни предметы нередко ведут себя подобным образом (причем ключи или очки всегда пропадают в самый неподходящий момент), в физике исчезать строго запрещено — это нарушает фундаментальные законы сохранения. Поэтому исследователи усиленно искали, куда же деваются нейтрино, и в 1957 году переехавший в СССР физик-социалист итальянского происхождения Бруно Понтекорво придумал отличное объяснение. Чуть позже аналогичное объяснение независимо предложили японцы Зиро Маки, Масами Накагава и Соичи Саката.

Ученый предположил, что недостающие частицы осциллируют, то есть превращаются в нейтрино других типов, которые «не видят» существующие детекторы. Но долгое время проверить, верна ли идея Понтекорво, было невозможно: нейтрино почти не взаимодействуют с веществом. И все-таки поймать их можно, но для этого нужны гигантские установки: чем установка больше, тем выше шанс, что нейтрино врежется в какой-нибудь атом и от удара родятся другие частицы. Чувствительные сенсоры, расположенные вокруг установки, «видят» эти частицы, физики анализируют, что и как именно образовалось, отметают посторонние столкновения со случайно залетевшими в детектор высокоэнергетическими частицами и считают, сколько нейтрино попало в ловушку. Чтобы уменьшить фон, установки по поимке нейтрино закапывают глубоко под землю, и это дополнительно усложняет (и удорожает) строительство.

Впервые идею, что мощные потоки атмосферных нейтрино можно регистрировать на подземных и подводных установках, еще в конце 1960-х высказал академик Моисей Марков. Он же выбил деньги на строительство Баксанской нейтринной обсерватории, и в конце 1970-х неподалеку от Эльбруса в тоннеле под горой Андырчи начали строить установку.

Внутри Баксанского подземного сцинтилляционного телескопа. Фото ИЯИ РАН


«Баксанский подземный сцинтиляционный телескоп находится под землей на минимальной глубине примерно 300 метров, — рассказал «Чердаку» ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, доктор физико-математических наук Анатолий Буткевич. — Мы могли изучать только события, связанные с атмосферными нейтрино, которые пролетели сквозь всю Землю, то есть подходили к детектору снизу вверх — из-за малой глубины сверху прилетало слишком много посторонних частиц».

Несмотря на внушительный объем установки — 3000 кубических метров — масса внутренней мишени была всего 94 тонны: вероятность, что неуловимая частица врежется в какой-нибудь атом внутри заполненной специальной жидкостью камеры, была ничтожной. Поэтому Баксанский телескоп ловил нейтрино, которые провзаимодействовали с веществом где-то неподалеку от установки. «Основной вклад в наши измерения вносили нейтрино с энергией 50 ГэВ — как позже выяснилось, это был ключевой момент, из-за которого мы так и не увидели осцилляций», — уточняет Буткевич.

Неудачливый протон

Помимо загадки исчезающих нейтрино физиков в то время очень интересовал еще один вопрос — распад протона. Долгое время считалось, что эта частица стабильна, но с середины 1970-х стали появляться новые модели, которые предсказывали, что рано или поздно протон должен распадаться. Подтверждение этой гипотезы означало бы настоящую революцию в физике, и под эту вдохновляющую перспективу ученым удалось выбить деньги на строительство новых детекторов. Самыми многообещающими были американский IMB и японский детектор под названием Kamiokande.

Так же, как и нейтринные детекторы, и многие другие детекторы крошечных элементарных частиц, установки для поиска распадающихся протонов были огромными. Наблюдаемый эффект предполагался небольшим, а необходимые измерения чрезвычайно тонкими — нужно было максимально исключить фон. Поэтому гигантские установки закапывали глубоко под землю или прятали от лишних частиц под гору: например, над Kamiokande был целый километр грунта. «В то время считалось, что, распадаясь, протон порождает потоки частиц и излучения общей энергией 1 ГэВ. То есть установки должны были увидеть, что ни с того ни с сего, на пустом месте, регистрируется событие энергией около 1 ГэВ — значит, это распался протон», — описывает суть экспериментов Буткевич.

Установки заработали, и вдруг оказалось, что «тех самых» событий подозрительно много. Физики сообразили, что это не распад протона, а фон: атмосферные нейтрино попадают в установку, взаимодействуют с ее веществом и дают события с характеристиками, похожими на распад протона. Из-за такого мощного фона атмосферных нейтрино искать чрезвычайно редкие распады протона оказалось невозможно. Но «протонщики» не растерялись и переключились на изучение потоков нейтрино низких энергий и их осцилляций — новые установки оказались идеально «подогнанными» как раз для этого. А «брошенный» распад протона не подтвержден до сих пор.

Первый Нобель

«Переквалифицировавшиеся» из протонных в нейтринные американский — и особенно японский — детекторы были заметно совершеннее Баксанского телескопа. Kamiokande был закопан так глубоко, что до детектора гарантированно долетали только нейтрино, причем как прошедшие сквозь Землю, так и прилетевшие со стороны неба.

Кроме того, массы новых детекторов хватало, чтобы измерять взаимодействия нейтрино внутри установки, а не только в грунте. Начались измерения, но американцы не увидели осцилляций — все же чуть-чуть не хватило массы. А вот японцы обнаружили указания, что атмосферные нейтрино осциллируют, но публиковать результаты не торопились.

Вместо осцилляций бывшие протонные, а теперь нейтринные телескопы в 1987 году зарегистрировали нейтрино от вспышки сверхновой 1987A в соседней с нами галактике — Большом Магеллановом Облаке. За это достижение и в целом за продвижение исследований космических нейтрино лидер коллаборации Kamiokande Масатуши Кошиба в 2002 году разделил половину Нобелевской премии с американцем Френком Дэвисом (вторую половину получил Риккардо Джаккони за работы, которые привели к открытию космических источников рентгеновского излучения). И это было первое из удивительных открытий, сделанных благодаря японской установке.

Остатки сверхновой 1987A «глазами» телескопов «Гершель» (слева) и «Хаббл» (справа). Изображение: ESA/NASA-JPL/UCL/STScI



Нейтринный самурай

Вдохновленные успехом Kamiokande, японцы повалили в нейтринную физику. Ярчайшей звездой в плеяде нейтринщиков был Йоджи Тоцука. «Его и ему подобных ученых называли нейтринными самураями», — смеется Буткевич. Под руководством Тоцука рядом с Kamiokande в конце 1980-х — начале 1990-х начали строить еще более внушительный детектор Super-Kamiokande. Тоцука собрал сильнейшую команду молодых нейтринных самураев, и одним из ее участников был Такааки Кадзита, нынешний лауреат Нобелевской премии, а тогда еще молодой физик. Кстати, начинал Кадзита еще на Kamiokande, где измерял время жизни протона.

В 1996 году преемник Kamiokande был построен, и эта установка была по-настоящему гигантской: масса детектора составляла 42 тысячи тонн — столько весят, например, 47 847 автомобилей ВАЗ-2106. Благодаря такой массе японцы начали быстро набирать статистику, но тут возникла одна очень серьезная проблема. Физики регистрировали нейтрино, попадающие в детектор сверху и снизу (то есть со стороны неба и земли, соответственно), с одинаковой точностью — и с одинаковой погрешностью. Причем она была достаточно велика — заведомо больше предполагаемого эффекта осцилляций. Говорить о сколько-нибудь достоверных значениях при такой колоссальной систематической погрешности не приходилось.

«И вот тут японцы придумали гениальный ход, — рассказывает Анатолий Буткевич. — Установка «ловит» потоки электронных и мюонных нейтрино, которые приходят и сверху, и снизу. Эффекты осцилляций не успевают изменить потоки нейтрино, приходящие сверху, а вот нейтрино, которые добирались до установки сквозь Землю, за счет осцилляций изменяются. Сравнение этих двух потоков позволяет взаимно убрать систематическую ошибку измерения, которая для них одинакова». Сегодня придуманный на Super-Kamikande метод убирать систематическую ошибку используется во всех нейтринных экспериментах.

После того как столь элегантным способом японцы избавились от скрывающей результаты погрешности, дальнейшее было делом техники. Сравнив потоки нейтрино, прошедших и не прошедших сквозь Землю, они достоверно увидели разницу — из-за того, что часть мюонных нейтрино во время путешествия сквозь Землю под воздействием вещества переходили в нейтрино других типов. Этот эффект называется эффектом Михеева—Смирнова—Вольфенштейна, и это тот самый Михеев, который руководил экспериментами на Баксане.

Лодка — лучший транспорт, чтобы перемещаться внутри детектора. Фото: Анатолий Буткевич, личный архив


«Люди, которые не понимают деталей, часто говорят: «Ну что ж вы-то проспали и не зарегистрировали осцилляции? — досадует Анатолий Буткевич. – А мы и не могли зарегистрировать, потому что у нас была не та энергия. Теории тогда не предсказывали, где ждать эффекта, так что мы бродили вслепую». За годы работы Баксанская обсерватория накопила порядочно данных, но не нашла и намека на осцилляции. И японцы, которые много общались с советскими коллегами, сообразили, что нужно использовать другой диапазон энергий. Более того, их установки изначально как раз и были приспособлены для низких энергий. «Тоцука и команда стали работать в области энергий около 10 ГэВ — в пять раз меньше, чем на Баксане. И именно это определило их успех: спустившись по энергии, они почти попали в максимум эффекта осцилляций», — объясняет Буткевич.

Советская, а потом российская нейтринная физика перестала задавать тон в мире не только из-за досадного промаха по энергии. Японцы были совершенно не против, чтобы коллеги из России участвовали в строительстве Super-Kamiokande, но он стоил 100 млн долларов. Это был самый дорогой детектор из существовавших на тот момент. В коллаборацию с японцами вошли ученые из Калифорнийского университета в Ирвайне, которые до этого принимали участие в IMB. Они принесли со своей установки 2 тысячи фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), без которых невозможно зарегистрировать слабые вспышки от «пойманных» нейтрино. Всего в Super-Kamiokande 10 тысяч ФЭУ.

«Мы в коллаборацию не вошли, потому что на дворе было начало 90-х. Ученые в России думали, как вообще выжить, многие разбежались кто куда, тот же Михеев уехал в Италию, в Национальную лабораторию Гран-Сассо, — вспоминает Буткевич. — Те, кто остался, работали на голом энтузиазме, о том, чтобы принимать участие в строительстве детектора, и речи не было. Так что Нобелевское открытие сделали без нас».

Конец истории

В 2002 году канадская нейтринная обсерватория Садбери окончательно доказала эффект осцилляций (руководил исследованиями еще один лауреат Нобелевской премии 2015 года по физике Артур Макдональд). «И все ждали, что за эти работы дадут Нобелевскую премию. А ее все не давали и не давали, и ученые, благодаря которым удалось совершить это открытие, стали уходить из жизни», — грустно констатирует Буткевич.

В 2008 году от рака умер Йоджи Тоцука, отец-основатель Super-Kamiokande. В 2010 скончался Михеев, в марте 2015 года — Вольфенштейн. Остался только Алексей Смирнов, но его не включили в список лауреатов, хотя без описанного этими тремя физиками эффекта невозможно объяснить наблюдаемые нейтринные осцилляции.

Премия Breakthrough Prize вознаградила рядовых ученых, которые кропотливо собирали и анализировали данные, сложившиеся в открытие. Но история поиска пропавших нейтрино — не о премиях, а о людях и судьбах, которые стоят за любым открытием. Потому что наука — это не сухой набор фактов и цифр, но всегда живая история, порой не менее увлекательная, чем самые закрученные приключенческие романы.

Ирина Якутенко
Теги:

Читать еще на Чердаке: