По следам космических призраков

«Поехали».

«Мы должны понять, как устроена Вселенная. К сожалению, у всего есть свое начало и свой конец. Мы должны все эти вещи знать».

«Через нас с вами и через любую поверхность Земли, через каждый квадратный сантиметр в секунду протекает поток нейтрино 10¹⁰».

Из великого множества элементарных частиц минимум три известны каждому: протон, нейтрон и электрон. Из них состоят все атомы Вселенной. Современная квантовая физика началась с открытия именно этих частиц. Однако, самый удивительный житель микромира - частица нейтрино. Этот кроха совершил настоящую революцию в умах ученых, переворачивая все с ног на голову и бесконечно придумывая новые загадки. Чтобы разгадать их даже создано целое направление в науке – подземная физика. Глубоко под землей стоят огромные ловушки, здесь ловят частицу нейтрино.

«Они проходят и уходят дальше в космос, но некоторым не повезло или наоборот, очень повезло – они встретили ядро Галлия и не могли пройти мимо, и провзаимодействовали. В результате этого романа появилось ядро Германия 71-го».

Для вечной странницы нейтрино столкновение с одним веществом и рождение другого - эпизод вряд ли заметный. Для Владимира Гаврина и его коллег это большое событие. В результате всех превращений из огромного количества жидкого металла Галлия, крайне редкого в природе, извлекается лишь 3о атомов того самого Германия. В этих 30-ти атомах таятся ответы на главные вопросы мироздания. С их помощью можно приоткрыть тайну даже самых далеких звезд.

«Любая эволюция звезды, так или иначе, если мы на себя будем проектировать, она нам дает информацию о том, что происходит и у нас здесь близко, или что будет происходить в галактиках, что будет происходить в мире, в большом мире, макромире».

14 миллиардов лет назад, нет времени, нет материи, ничто. Эта огненная точка меньше атома и в триллионы раз горячее солнечного ядра. Энергия точки рвется наружу, время пошло. Так, по одной из версий, родилась наша Вселенная. Через 700 миллионов лет зародились первые галактики, спустя три миллиарда лет возникла наша солнечная система. Но все это позже, а в первую секунду Большой взрыв породил мириады элементарных частиц. Одни умирали, едва родившись, другим предстояло жить несчетной количество лет – это и были нейтрино, свидетели всей истории мироздания, рожденные во время Большого взрыва.

«Нейтрино в данный момент единственная частица, при помощи которой мы можем получать информацию от частей Вселенной, которая закрыта для любого другого наблюдения, кроме нейтрино».

Декабрь 1930 года. Австрийский физик Вольфганг Пауль пишет: «Я сделал ужасное, я ввел в теорию нечто, что никогда не смогут проверить экспериментально».

Пауль обнаружил, что часть энергии, излучаемой Солнцем, куда-то исчезает. Но по закону сохранения энергии такого просто не может быть. Значит, существует пока не известная науке элементарная частица, которая и «похищает» эту энергию.

«Внести его было абсолютно необходимо, потому что без отсутствия, в отсутствии этой частицы очень много у физиков не складывалось».

Имя таинственной частице-фантому спустя два года дал итальянец Энрико Ферми – нейтрино, «нейтрончик» - по-итальянски. Обозначать ее стали буквой ν (ню). Нейтрино рождаются там, где есть любые процессы с сильным выбросом энергии: при взрывах сверхновых звезд, в квазарах, ядрах далеких галактик. В нашем Солнце, конечно, тоже.

«Нейтрино, которое порождается этими источниками, может дойти к нам на Землю, может быть, в принципе, зарегистрировано, и принести нам информацию вот о таких вот, самых мощных источниках энергии, о самых мощных объектах, которые существуют во Вселенной».

Нейтрино пронизывают Землю насквозь, а на Байкале их поджидают ловушки - большие стеклянные шары-детекторы.

«Может быть, хватит. Ну, не хватит – раздолбим еще, делов-то».

«В Байкале есть чистая вода, отсутствие течений. В Байкале есть вот это замечательное качество его, что он примерно на 2 месяца покрывается очень толстым и надежные слоем льда, с которого можно вести монтаж глубоководных установок».

Байкальский нейтринный телескоп работает круглый год, однако увидеть его можно лишь, когда озеро покрывается льдом. В это время у южной оконечности Байкала, прямо на льду физику разбивают свой лагерь.

«Мы находимся на расстоянии 3,5 километра от берега и глубина 1366 метров. Представить это себе на самом деле невозможно, такую большую глубину».

Здесь вместе работают и маститые доктора наук, и молодые аспиранты.

«Поскольку работа физиков, она, в основном, физическая, вот они и привыкают».

«Вира. Вира».

Ученые рубят и вывозят лед, ставят жилые вагончики, крутят лебедки, поднимая из воды детали гигантского телескопа.

«Вот сейчас в телескопе больше двухсот вот таких вот сверхчувствительных глаз, которые видят небо сквозь землю».

Подводная ловушка - сооружение циклопических размеров. К уходящим на дно мощным тросам прикреплены сотни стеклянных шаров. Длина каждой гирлянды около полутора километров, на дне их удерживают тяжелые якоря, а у поверхности мощные поплавки.

«Под водой, на самом деле, существует огромная глубоководная лаборатория. Радиус ее, вот основная часть, это 600 метров, но еще есть и приборы, находящиеся на расстоянии до 5-ти километров отсюда».

Столкнувшись с молекулой воды, стремительная частица может оставить след.

«Энергия в этой частице может быть такая же, как, скажем, в теннисный мяче, который летит после удара самого лучшего в мире теннисиста. Это колоссальная энергия для одной, вот такой вот сверхмаленькой, сверхлегкой элементарной частицы».

Частица-призрак уже давно улетела дальше, путешествовать во Вселенной, а ее след фиксируют приборы, размещенные в шарах. Информация по подводным кабелям передается на берег и обрабатывается.

«Вот это, так называемый, береговой центр. Для проверки этой аппаратуры, вот мы возле нее находимся сейчас, и вот каждый прибор, каждый человек или стеклосфера, вот которые здесь стоят и смотрят, как все это работает здесь, а вот после этого уже опускаем все это, всю эту электронику под воду».

Байкальская экспедиция – международная, в ней кроме российских, немало иностранных ученых. Ральф Вишневский из Германии, уже 20 лет он приезжает зимой в Сибирь ловить нейтрино. Ему довелось привыкать и к суровому климату, и к риску. А рискованных ситуаций на Байкале зимой хватает.

«Если он движется и дает этот звук, фактически иногда это как впечатление, что где-то шил, открывается. Ну, и вы боитесь, что все, утонул. Мы с одним немецким коллегой жили чуть не неделю, две недели на льду, и одна из первых ночей мы просто оба в пижаме. По-русски так, да? В пижаме прыгали в тот же самый момент на улицу, потому что мы боялись, что этот шум, это только может означать, что через несколько секунд вот все».

Движущийся лед, трещины и торосы - это не шутки. Однако другого пути попасть в лагерь ученых, кроме как на машине по льду, нет.

«Каждый год много машин тонет в этих трещинах. Очень опасная вещь - это движение по льду».

Почему эти льдины отталкиваются друг от друга? Что делает, так называемую, твёрдую материю твердой? Секрет в том, что все имеет какой-либо заряд. Именно это свойство материи заставляет вещества отталкиваться друг от друга. Нейтрино уникальны как раз тем, что не имеют никакого заряда. Вот почему для них не существует преград.

Нигде так ясно не проявляется связь между микромиром и космосом, как в физике нейтрино. Эта крошечная частица играет огромную роль в понимании фундаментальных законов мироздания. Но как поймать, что неуловимо? Решить эту проблему смог в пятидесятых годах прошлого столетия американский физик Фредерик Рейнес. Свою догадку он назвал «Проект полтергейст». Именно этому хулигану, по-русски «барабашке», приписывают необъяснимую пропажу вещей в доме, их перемещение без участия человека и прочие шалости. Рейнес заметил, что фантом-путешественник нейтрино крайне редко, но все же оставляет след.

«Само нейтрино вам видеть не удается. Вы видите результат его прохождения, так же, как, например, человек-невидимка, вы видите, вдруг исчезла ложка, или там, подвинулся стул. А кто это делает, вы не видите. Это делает призрак».

Считается, на Земле есть территории, где люди имеют возможность входить в контакт с космосом. Их называют «место силы». Байкал – одно из таких мест.

«Мы не трехмерные, а, можно сказать, n-мерные. То есть рядом с нами могут, в другом измерении, существовать миры, но это совсем другая история. И некоторые теоретики привлекают n-мерность нашей Вселенной для объяснения каких-то космологических явлений, в том числе связанных с нейтрино».

С древних времен люди верили - все что было, есть и будет где-то записано. Сегодня ученые эту, так называемую, книгу жизни назвали энергоинформационным полем Вселенной. Возможно, нейтрино и является частью этого хранилища информации. Найти к нему ключ, значит понять тайны мироздания.

«В нейтрино-потоке закодирована, заложена информация о всех этапах эволюции вещества во Вселенной. Вот от самого начала, до, так сказать, сегодняшнего дня».

В погоне за призраком ученые столкнулись с еще одной проблемой - как отсеять нейтрино от множества других, давно изученных частиц: космических лучей, радиоактивного излучения.

«Все частицы кроме нейтрино, они, падая на Землю, они поглощаются, они далеко не проходят. Нейтрино, для него Земля прозрачная, оно проходит сквозь Землю совершенно легко».

Значит, необходим некий фильтр, который задерживал бы все ненужное. Оказалось, такой фильтр – сама поверхность Земли.

«В этом смысле, значит, вот мы примерно 16 часов в сутки можем видеть центр галактики. В частицах, которые проходят в Северном полушарии снизу вверх».

На территории России 2 нейтринных телескопа. Один спрятался в глубинах озера Байкал, а Баксанская нейтринная обсерватория притаилась под большим Кавказским хребтом.

«Развитие этого проекта, оно полно драматических эпизодов, но, тем не менее, мы первые, первые получили результат от Солнца».

В 1963 году президент Академии Наук Советского Союза Мстислав Келдыш писал в ЦК Партии: «Исследования по физике нейтрино необходимо проводить в ускоренном темпе, поскольку мы серьезно отстаем в этой области от США».

«Необходимо было построение больших подземных лабораторий, и стоял вопрос - а где сделать эти лаборатории? Мне предложили найти место в Советском Союзе. Такое, где можно было бы поставить детекторы с тем, чтобы космические лучи не мешали».

И такое место было найдено на Кавказе. В Баксанское ущелье приехали метростроевцы, в Приэльбрусье началось строительство огромного подземного научного центра. Ущелье реки Баксан начинается у подножья двуглавого красавца Эльбруса. Вот он, главный кавказский хребет. Чедым, Когутай, Чегет и Эндерчи.

«Это гора Эндерчи. «Эндер» - это ток, где зерно собирается, зерно. По русскому переводить, Эндерчи – это то, где зерно».

Гора Эндерчи действительно стала местом, где пытаются собирать и изучать зерна мироздания, частицы нейтрино. Хотя, выбирая место для строительства, ученые вряд ли думали о названии.

«Поехали».

Так начинается рабочий день Баксанской нейтринной обсерватории. Внутри горы надо ехать почти 2 километра. Кажется удивительно, но чем глубже под землю, тем ближе к тайнам далекого космоса. Например, здесь, в лаборатории галлий-германиевого нейтринного телескопа изучают нейтрино, исходящие от Солнца.

«Если предположить, что внутри Солнца непрерывно течет термоядерная реакция, то есть непрерывно работает, грубо говоря, водородная бомба, то при этом обязательно должно излучаться нейтрино, и число извлеченных нейтрино жестко связано с количеством извлекаемой энергии».

Именно с этим предположением связана одна из самых неприятных историй, ввергнувших научный мир в панику. В 70-х годах прошлого века американскому физику Раймонду Дэвису удалось зарегистрировать поток нейтрино, идущий от Солнца. Он оказался гораздо слабее, чем рассчитывали ученые.

«Я работал с ним. Он увидел, что поток нейтрино на самом деле в 3 раза меньше, чем все думали. Научный мир встал перед дилеммой».

«Либо неправильно понимаем, как работает Солнце, либо неправильно понимаем, что такое нейтрино».

Или третий вариант, печальный для человечества - солнечное топливо заканчивается, и Солнце гаснет. О самом страшном, о конце света, думать не хотелось.

«Мы существуем, действительно, в нейтринном море. И, если вдруг оно стало бы отсутствовать, то это значит, прекратилось бы выделение энергии, которая нейтрино сопровождает. Все замерзло бы, и жизнь бы исчезла».

Загадку пропавших нейтрино можно было решить одним способом – создать искусственное Солнце, и посчитать количество испускаемых им нейтрино. Эксперимент родился здесь, в недрах Баксанской обсерватории.

«Был изготовлен источник нейтрино. Но он очень быстро распадается, поэтому надо было мгновенно из реактора превратить его в нужную форму. На самолете специальном привезти в Минеральные Воды, мчаться на машине сюда, пускать в галлий».

Галлий, точка плавления +29⁰С. Поэтому мы видим этот металл в жидком состоянии. Из триллионов нейтрино лишь одна-две оставят свой след. В этих реакторах-ловушках 60 тонн жидкого галлия. Мишень для частицы-призрака не может быть маленькой. Чтобы найти пропавший нейтрино, эксперимент с искусственным Солнцем проводили дважды. Ученые ожидали чего угодно, но не такого.

«И пришли к выводу - Солнце работает правильно, излучает нужное количество нейтрино, которое совпадает с той энергией, которую излучает Солнце. Но нейтрино доходит до нас, меняется».

Причем меняется так, что самые совершенные земные приборы их не распознают. Способность нейтрино к перевоплощениям открыла новый мир. Невесомая частица изменяться не может, значит у нейтрино есть масса. А даже при самой ничтожной массе общий вес частиц-невидимок должен намного превосходить вес всех звезд и планет вместе взятых. Итак, Солнце пока не погаснет.

«Мы сейчас больше знаем о Солнце, чем о своей Земле. Мы должны изучить Землю. Мы мечтаем смотреть нейтрино от центра Земли, потому что предложили, там находится не термоядерный, а просто ядерный реактор».

Поняв процессы внутри Земли, люди сумеют избежать многих катастроф, точно предсказать землетрясения и извержения вулканов. А пока вулканы создают проблемы самим ученым.

«На расстоянии порядка 20-ти километров от этой точки, примерно в этом направлении находится вулкан Эльбрус. Вулкан Эльбрус является заснувшим, поэтому в любой момент он может проснуться и начать извергаться».

Прямо под Баксанской нейтринной обсерваторией, на глубине 50-ти километров - огромное озеро раскаленной магмы, протянувшееся от Эльбруса. Поэтому здесь, в самой жаркой штольне, где температура достигает 50-ти градусов, пришлось поставить геофизическое оборудование слежения.

С горами вообще у человека особые, совсем непростые отношения. В марте 2006 года мощная лавина едва не похоронила наземные постройки обсерватории, был записан вход в тоннель.

«Вот этот склон удивительный, одной дыры нету, сосна нету, где лавина идет. Она очень крутой, снег не удержит. Вот с этого начинается лавина. А дождь со снегом смешался, очень сильный удар был здесь. Очень большой снег, лавина была».

Несмотря на опасности и снаружи, и глубоко под горой, ученые продолжают работать. Горная выработка объемом 12 тысяч м³, это только один этаж, а таких здесь 4. На стенах и крыше подземного дома 3200 цилиндров-детекторов. Все сооружение – это подземный вентиляционный телескоп. Тут тоже ловят нейтрино, но другим способом.

«Это один из детекторов. Внутри находится керосин. Частица, которая пролетает через этот детектор, оставляет в нем энергию и сенсационные добавки превращают ее в свет. Этот свет улавливает фотоэлектронный умножитель».

Информация с детекторов круглосуточно поступает на сервер. Здесь узнают о коллапсах звезд и взрывах сверхновых. В бесконечных коридорах-перекрытиях подземного телескопа всегда тихо и безлюдно. Глубоко под горой настоящее царство частицы-призрака.

Недавно были получены результаты, которые привели физиков в замешательство. Пучок нейтрино, направленный с Женевского научного центра в подземную лабораторию Грансас в Италии, прибыл на место назначения со скоростью, превышающей скорость света.

«Если частица движется со скоростью, быстрее скорости света, тогда очень многие представления и в теории, и о мире должны быть сильно изменены. Это все нужно очень-очень-очень внимательно измерять, и поэтому, вот, измерения такого типа требуют проверки и, желательно, вообще не на одном детекторе».

Осторожность ученых понятна, если результат подтвердится - это будет означать, что частица может перемещаться не только в пространстве, но и во времени. А путешествия во времени - это переворот в нашем понимании мироздания. Итак, если теория Большого взрыва верна, то во Вселенной все может снова измениться в одно мгновение. Тайна творения, тайна всего сущего скрыта в той, первой секунде. Сегодня есть только один свидетель, который знает, что было, что есть и, главное, что будет - крошечная частица нейтрино.