Четвертая установка – Камиоканде – расположена в цинковой шахте Камиока на глубине в километр в Японских Альпах. В ней используется семьсот тонн сверхчистой воды и регистрируются лишь нейтрино высокой энергии – более семи миллионов электронвольт – по черенковскому свету от мюонов или электронов, выбитых из ядер (хлорный метод чувствителен к нейтрино энергичнее восьмисот килоэлектронвольт, а галлиевый позволяет достичь двухсот килоэлектронвольт). Черенковское излучение возникает при движении частицы со скоростью больше скорости света в среде. Аналогичные ударные волны расходятся от самолета, летящего быстрее звука. В отличие от радиохимических экспериментов, Камиоканде измеряет направление пришедшей частицы и ее энергию.
Все четыре эксперимента регистрировали меньше нейтрино от Солнца, чем должно быть по предсказаниям Стандартной модели. Единственная возможность объяснить этот дефицит – предположить, что у нейтрино есть совсем крошечная масса порядка трех тысячных электрон вольта. Если это так, то они могут превращаться в нейтрино другого сорта, что строго-настрого запрещено им в Стандартной модели, где его масса нулевая. Это превращение (называемое на научном языке осцилляциями ) приводит к тому, что до Земли долетает меньше электронных нейтрино, что и чувствуют установки.
Распределение космических лучей высоких энергий
В апреле 1996 года заработала еще одна японская установка – Суперкамиоканде, которая содержит уже более двадцати тысяч тонн сверхчистой воды. За несколько месяцев работы она зарегистрировала больше нейтринных событий, чем все остальные приборы за двадцать пять лет наблюдений, и именно с ее помощью в прошлом году была обнаружена масса нейтрино и разрешена загадка дефицита солнечных частиц.
В начале 1997 года была пушена установка в никелевой шахте на глубине более двух километров в провинции Онтарио. В ней уже используется тяжелая вода, которая дает возможность различать разные сорта нейтрино. Под ударами различных нейтрино ядро дейтерия, входяшее в состав тяжелой воды, разваливается на разные части. Установка должна просто пересчитывать все сорта нейтрино.
Три новых детектора запускаются и в тоннеле Гран Сассо. В общем, видно, что нейтринная астрономия из экзотического хобби немногих чудаков превращается в мощную отрасль науки.
Следуя за традиционной астрономией, работающей в очень широком диапазоне длин волн – от метровых радиоволн до гамма-лучей в миллионную долю микрона, – нейтринная астрономия стремится расширить спектр энергий, ще ведется наблюдение.
Современные нейтринные телескопы ставят своей целью покрыть как можно большую площадь своими детекторами. Два из них уже начали работать. Это «Байкал» – в нашем сибирском озере и AMANDA – на Южном полюсе. Третий детектор – NESTOR – будет размешен в Средиземном море, неподалеку от Греции.
Нейтрино в небесах могут рождаться, как и обычные космические лучи, при столкновении быстрых частиц. Но могут они возникать в центрах коллапсирующих звезд или центрах галактик, а оттуда никому, кроме них, выбраться не суждено. Поэтому с помощью нейтринных телескопов планируется изучать все возможные источники этих частиц, но все же главная их задача – готовность к чему-то неожиданному. К примеру, их «старшие братья», детекторы гамма- лучей, были построены для слежения за Луной и Солнцем, а увидели новое небо с неизвестными источниками гамма-лучей – горячими нейтронными звездами, квазарами и черными дырами. Оптимисты полагают, что нейтринные телескопы имеют хорошие шансы обнаружить источники суперэнергичных космических лучей, продвинуть поиски холодного темного вещества и понять суть загадочных гамма-вспышек.
Нейтринная астрономия поистине вступает в героическую эпоху. За первыми открытиями следует период кропотливых планомерных исследований. Похоже, что самая неуловимая частичка хранит ключи от многих тайн природы и наступивший век может стать веком нейтринной астрономии.
А теперь – о космических лучах. Оказывается, и с ними не все ясно. Мировой рекорд энергии для частиц вещества держит один протон с энергией четыреста тысяч миллиардов электронвольт, залетевший когда-то в атмосферу Земли. Но из косвенных данных мы знаем, что Землю ежеминутно бомбардируют частицы с энергией в миллионы раз больше. Откуда они берутся и как получают энергию, до сих пор остается загадкой, хотя ученые бьются над этой проблемой полвека.
Космические лучи с энергией больше, чем десять в двадцатой степени электронвольт, были зарегистрированы по вторичным частицам. Такая частица несет в себе энергию, равную энергии теннисного мяча Пита Сампраса при подаче. Скорость ее настолько близка к скорости света, что в собственной системе координат время почти останавливается, и за четверть часа частица пролетает тридцать миллионов световых лет. Энергия таких частиц во много миллиардов раз превышает ту, что удалось достичь на Земле путем колоссальных усилий на самых больших ускорителях. Одна из самых впечатляющих загадок природы – как это удается сделать. Очень хочется узнать секреты такого ускорения. Но сложность в том, что таких частиц невероятно мало – штуки, а для мало-мальски научного их изучения необходимо иметь хотя бы десятка три-четыре событий. Поэтому и строятся все более и более крупные детекторы.
Большинство космических лучей, попадающих в атмосферу Земли, имеют энергии не больше, чем десять в четырнадцатой степени электронвольт. Эксперименты на ракетах, спутниках и воздушных шарах показывают, что эти лучи состоят в основном из протонов с небольшой примесью более тяжелых элементов вплоть до железа.
Одна из возможных конструкции детекторов космических лучей
Еще Энрико Ферми полвека назад предложил гипотезу о том, что межзвездные ветры порождают заряженные частицы, которые попадают в поля магнитных облаков от взрывов сверхновых и там ускоряются до сверхвысоких энергий. Свою энергию они получают постепенно, однако проверить эту идею трудно, поскольку нет известных источников лучей, да и доходят они до Земли извилистыми путями.
Наблюдения за остатками сверхновых дают косвенные подтверждения, что такой механизм ускорения возможен, правда, лишь до энергий не выше десяти в пятнадцатой степени электронвольт. Это максимум, что можно набрать в магнитных облаках.
Было предложено немало альтернативных гипотез для ускорения до более высоких энергий: электрические поля в пульсарах, ядра галактик и даже столкновения галактик. Но все расчеты показывали, что и здесь не получается более высокой энергии. Кроме того, частицы с энергией выше десять в двадцатой уже совсем слабо заворачиваются галактическими магнитными полями, и направление их прихода на Землю должно указывать на источник. Но этого нет. На схеме, приведенной на стр. 30, видно, что распределены эти точки совершенно хаотично и не связаны ни с какими известными пульсарами или остатками сверхновых звезд.
Получается странное противоречие. Если мы видим частицу с энергией выше десять в двадцатой, значит она родилась где-то в пределах ста мегапарсеков от нас – не успела больше потерять энергии. Раз она родилась так близко и энергия ее велика, то она не могла отклониться от начального направления и должна указывать на источник рождения. Но таких явных источников нет! Значит, частицы пришли издалека. Похоже на логический тупик.
Чтобы найти из него выход, приходится искать новые процессы и источники, которые могут дать более высокие энергии. Список таких возможностей длинен, и одна экзотичнее другой. Среди них загадочные вспышки гамма-лучей, космические струны и магнитные монополи. Это, кстати, самая молодая гипотеза: все лучи с энергией выше десять в двадцатой – магнитные монополи. Гипотезы красивы, но бездоказательны. Они побуждают экспериментаторов к проверкам, но на большее не претендуют.