Исследование нейтрино и поиск ответов на космические вопросы

В одной из лабораторий Южной Дакоты ученые пытаются поймать самые неуловимые частицы во Вселенной.

Каждое утро две дюжины шахтеров и инженеров заходят в похожий на клетку лифт, чтобы за 11 минут спуститься в недра Черных холмов Южной Дакоты.

Внизу, в миле под поверхностью, дверь клети поднимается, и рабочие спускаются по скалистому, извилистому коридору. В его конце находится результат трехлетнего труда: две пустые пещеры, каждая высотой с семиэтажный дом и настолько длинные, что вашему голосу потребуется целая секунда, чтобы долететь до дальней стены и отразиться от нее.

Более века эти глубины прочесывали старатели в поисках золота. Теперь здесь находится Сэнфордский подземный исследовательский центр (SURF). В ближайшие годы лучшие в мире физики в области элементарных частиц планируют превратить это пространство в «слушающий конец» 800-мильного «телефона из жестяных банок» стоимостью 5 миллиардов долларов. С его помощью они надеются услышать прошептанный ответ на экзистенциальный вопрос: как мы сюда попали?

Сообщение будет передано приходящими нейтрино — странными, неуловимыми частицами, которые почти ничего не весят и движутся почти так же быстро, как свет. На другом конце телефона ускоритель частиц шириной в полмили, которым управляет Национальная ускорительная лаборатория имени Энрико Ферми недалеко от Чикаго, будет ежесекундно создавать триллионы нейтрино в узком пучке, направленном прямо на эту пещеру. Они будут проникать под землю, но не через туннель, а через твердые породы трех штатов.

Когда нейтрино прибудут, физики надеются, что они наконец дадут объяснение тому, как Большой взрыв создал чуть больше материи, чем антиматерии — избыток, который составляет все, что есть во Вселенной сегодня.

Проект, официально называемый Deep Underground Neutrino Experiment, или DUNE, является самым крупным научно-инженерным проектом под американской землей в истории. На его реализацию ушло десятилетие, и, возможно, потребуется еще одно десятилетие, прежде чем он начнет свою работу. Если все пойдет хорошо, он превратит неуловимые нейтрино в известную величину, заполнит серьезный пробел в понимании учеными Вселенной и, возможно, вернет Соединенным Штатам былое лидерство в физике элементарных частиц.

Что такое антиматерия

Когда атом расщепляется, два его фрагмента разлетаются под странными косыми углами. В 1930 году физик Вольфганг Паули придумал нейтрино, чтобы объяснить такое поведение: должна существовать третья, невидимая «пуля», которая летит в третьем направлении, быстрая, как свет, но бесплотная, как призрак, — заключил доктор Паули.

Потребовались десятилетия, чтобы кто-то доказал его правоту. Нейтрино — самые многочисленные частицы во Вселенной, но самые недоступные для изучения: они ускользают от детекторов частиц так же легко, как проходят сквозь горные породы. Они настолько скользкие, что являются единственными частицами, масса которых остается полной загадкой.

Более того, в то время как все остальные частицы обладают неизменной структурой, нейтрино меняют форму. После запуска ускоритель в Фермилабе будет производить один из трех видов нейтрино. Но к тому времени, когда они достигнут Южной Дакоты, некоторые из них превратятся в другую разновидность.

«Это так же поразительно, как если бы вы превратились в свою бабушку, пока шли на кухню, а затем снова превратились в себя, когда шли обратно в свою комнату», — говорит Брайан Рамсон, физик, участвующий в проекте, находясь в комнате управления DUNE в Батавии, штат Иллинойс, — «По сути, именно это и делают нейтрино».

И этот «долговременный квантовый эффект на большом расстоянии, — добавляет он, — именно так DUNE будет использовать нейтрино для объяснения… ну, всего».

Космический дисбаланс

Физики элементарных частиц надеются, что нейтрино помогут решить давнюю дилемму.

Согласно лучшим из существующих теорий, материя — все, что мы можем видеть и чувствовать во Вселенной, — не должна существовать. У каждой частицы материи есть двойник — частица антиматерии (или «античастица») с одинаковыми, но противоположными свойствами, такими как заряд и спин. Когда частица и ее античастица встречаются, они уничтожают друг друга. Частицы и античастицы можно создавать в равных количествах, но в конце концов они находят и уничтожают друг друга, не оставляя после себя ничего.

Большой взрыв каким-то образом нарушил это правило. Он создал чуть больше материи, чем антиматерии, и этот кусочек материи составил все, что мы видим сегодня. Многие физики считают, что свойства нейтрино менять форму могут объяснить наш космический генезис.

Доктор Рамсон и его коллеги из DUNE пытаются выяснить, меняют ли нейтрино форму быстрее, чем антинейтрино. Могут ли нейтрино ускользнуть от своих двойников, превратившись в другой вид, как беглецы, надевающие другой костюм? Может быть, именно так в ранней Вселенной оказалось чуть больше материи, чем антиматерии?

Если DUNE обнаружит несоответствие между нейтрино и антинейтрино, это может свидетельствовать о том, что гипотеза имеет смысл. А поскольку нейтрино — единственная частица, которую физики еще не изучили до конца, она представляет собой последнюю надежду на разрешение экзистенциальной головоломки.

«Это единственное открытое окно в новые горизонты», — говорит Елена Маричич, физик из Гавайского университета и член DUNE.

Грандиозные амбиции

Когда нейтрино из Фермилаба достигнут пещеры в Южной Дакоте, у DUNE будет менее одной миллионной секунды, чтобы поймать их в ловушку и изучить, прежде чем они поплывут дальше по подземному Вайомингу и за его пределы.

Ловушка будет состоять из двух огромных резервуаров, каждый из которых заполнен 17 000 метрических тонн ледяного жидкого аргона; со временем к этим резервуарам присоединятся еще два, расположенных в такой же пещере дальше по коридору. Время от времени прилетающие нейтрино обретают телесную форму и врезаются в атом аргона, порождая вспышку света и мерцание электричества. Детекторы будут измерять эти сигналы, предоставляя физикам еще одну крупицу информации о нейтрино.

Это редкое событие должно произойти много тысяч раз, чтобы ученые смогли определить, ведут ли нейтрино и антинейтрино себя по-разному. Поэтому ловушка должна быть большой, чтобы остановить как можно больше нейтрино. Для этого пришлось выкопать две пещеры, а затем заполнить их тысячами тонн стали и самой чувствительной электроникой, когда-либо созданной, и спустить все это по узкому «пищеводу» шахты. Майк Хедли, директор SURF, сравнил строительство со «строительством корабля внутри стеклянной бутылки, только горлышко бутылки длиной в милю».

Доктор Рамсон сказал, что «DUNE будет, по сути, идеальным экспериментом по осцилляции нейтрино на длинной базовой линии». Он добавил: «Если бы нам предоставили бюджет в триллион долларов и все время в мире, трудно представить, на что мы бы были способны".

Но грандиозные амбиции проекта обернулись грандиозными проблемами, не все из которых были предусмотрены.

Прежде чем лаборатория сможет извлечь породу и начать эксперимент, необходимо было переделать инфраструктуру шахты, что затянуло раскопки и обошлось по меньшей мере в 300 миллионов долларов. А ускоритель частиц Фермилаба пришлось модернизировать — расходы составили миллиард долларов — чтобы доставить достаточное количество нейтрино к детектору. В 2021 году Министерство энергетики поставило лаборатории неудовлетворительную оценку, а в 2023 году вновь предложило заключить контракт на управление лабораторией новым участникам торгов. Затем, в мае 2023 года, один из рабочих упал с высоты 23 футов на бетон и получил тяжелые травмы. Работы были приостановлены до конца года, что позволило лаборатории «пересмотреть все процедуры и обеспечить безопасность сотрудников», — сообщила Лиа Мерминга, директор Фермилаб.

Начальный этап проекта — первые измерения с помощью двух детекторов в первой пещере — первоначально планировалось завершить в 2035 году, потратив на это около 1,5 миллиарда долларов. Теперь его завершение запланировано на 2040 год и обойдется в 3,3 миллиарда долларов. В эту сумму не входит миллиардная модернизация ускорителя и два дополнительных детектора, которые ученые надеются добавить. Первый из них обойдется еще в 300 миллионов долларов. В целом, стоимость всего проекта для американских налогоплательщиков может приблизиться к 5 миллиардам долларов.

Критика в научной прессе часто была язвительной, и это заставило задуматься некоторых из 1400 ученых, которые связали свое будущее с DUNE.

«Эта пресса, как только она появилась, заставила меня серьезно задуматься, когда я решал, чем мне заниматься всю оставшуюся жизнь», — рассказывает доктор Рамсон. «Я отказался от очень прибыльной карьеры в других местах, чтобы следовать своим интересам». По его словам, если бы DUNE отменили, он бы сделал неправильный выбор.

Рон Рэй, заместитель директора проекта DUNE, отверг критику. «Да, шумиха есть, но люди, которые пишут такие вещи, на самом деле не знают, о чем говорят», — заявил он. «Первые дни работы над проектом всегда определяются всепоглощающим оптимизмом, который никогда не подтверждается».

Он утверждает, что непредвиденные расходы и задержки DUNE — нормальное явление для научного проекта такого масштаба. Он привел в пример космический телескоп Джеймса Уэбба, который был запущен в декабре 2022 года после многих лет задержек и перерасхода средств и теперь регулярно открывает космические просторы. «Нет такого средства, как удача», — говорит профессор Рэй.

По мнению профессора Рамсона, отказ от DUNE сейчас «стал бы сигналом для всего мира, что Америка больше не хочет лидировать в физике элементарных частиц». Вместо этого лидерство, скорее всего, перейдет к японскому эксперименту Hyper-K, который сейчас находится на стадии строительства и должен начать работу в 2027 году. Как и DUNE, Hyper-K будет использовать недавно модернизированный ускоритель частиц, чтобы выстреливать нейтрино на сотни миль в недавно вырытую камеру в шахте. Но он проще и изящнее, это скромный шаг вперед по сравнению с существующей технологией DUNE. Он, вероятно, будет работать быстрее и позволит сделать первую, грубую оценку дисбаланса между нейтрино и антинейтрино.

«Все, что стоит делать, предполагает конкуренцию, — говорит Сэм Целлер, физик из Фермилаба. По ее словам, это не просто скачки: нейтринные эксперименты всегда предполагали международное сотрудничество. Кроме того, по ее словам, у DUNE есть и другие цели: поиск темной материи — невидимого вещества, из которого состоит большая часть космоса, и изучение нейтрино от катаклизмической гибели далеких звезд.

За кулисами ученые DUNE говорят, что они постоянно продвигаются к совершенствованию детектора жидкого аргона, который в 2012 году был еще только зарождающейся технологией, когда разработчики DUNE сделали на него ставку. «Я смотрю на весь список вещей, которые могли сложиться иначе, и мне кажется, что все звезды сошлись», — говорит профессор Целлер.

Поворотный момент

В декабре проект DUNE получил серьезный стимул. Группа из 32 выдающихся физиков в области элементарных частиц, которой было поручено составить рейтинг приоритетов этой области на ближайшее десятилетие, отдала завершению проекта одно из первых мест.

«Мы почувствовали ответственность», — говорит Карстен Хигер, физик из Йельского университета и заместитель председателя группы, которая известна как P5 — Particle Physics Project Prioritization Panel (Группа по определению приоритетов проекта по физике частиц). «Это была сложная и пугающая задача».

В конце концов, по словам профессора Хигера, научные ставки были слишком высоки, чтобы не одобрить проект. «Это реальная возможность для США занять лидирующее положение в мире и стать центром нейтринной физики на ближайшие десятилетия», — говорит он.

По словам Рэя, доклад послужил мандатом на «завершение начатого». Профессор Мерминга, директор Фермилаба, говорит: «Это лучший результат, которого я только могла ожидать». Она признала, что в последние годы Фермилаб столкнулась с серьезными проблемами, и добавила: «Мы почти оставили их позади».

1 февраля, после более чем десятилетнего планирования и строительства, подземные камеры были завершены последним взрывом динамита. Пространство уже есть, теперь физикам — и Вселенной — остается только заполнить его.

Источник: @thebugged