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 объяснял (а здесь 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.

«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.

Читать дальше.