Раритеты микромира: Возвращение неуловимых

Как ищут редчайшие события в мире элементарных частиц

Фотография: Super-Kamiokande

В прошлый раз мы рассказали про два примера сверхредких событий из жизни элементарных частиц: про необычные распады B-мезонов и еще более необычные распады мюонов. B-мезонами занимаются коллайдеры, и в частности, LHC, а необычные распады мюонов ищут в низкоэнергетических экспериментах, устроенных совсем по другому принципу. Но несмотря на разницу и самих элементарных частиц, и инструментов для их изучения, у обоих процессов есть важное сходство.

B-мезоны и мюоны — частицы нестабильные, они довольно быстро распадаются. А это значит, что их сначала надо массово произвести, а уж потом пытаться проследить их варианты распада. Масштаб «редкости», который доступен этим экспериментам, определяется именно тем, насколько хорошо налажено «производство» и транспортировка этих частиц в детектор. Большой адронный коллайдер — это, можно так сказать, генератор процессов триллионного (10−12) масштаба редкости. Линии по производству мюонов, выдающие под миллиард мюонов в секунду — это машины следующего уровня, позволяющие чувствовать процессы квадриллионного масштаба редкости (т.е. вероятности порядка 10−15) . И если мы хотим продвинуться еще дальше на шкале редкости, нам придется налаживать еще более массовое производство этих частиц.

Ситуация кардинально меняется, как только мы беремся за сверхредкие процессы с участием стабильных частиц. Еще бы: их не надо создавать, их и так много вокруг. Более того, ими заполнен космос! Это полностью меняет подход к самой установке для детектирования. Как правило, нам не требуется даже напрягаться и производить эти частицы; достаточно взять чувствительный детектор и подставить его под потоки частиц, которые и так существуют в природе. Уровень редкости процессов, доступный в таких экспериментах, определяется уже совсем иными вещами: мощностью потока частиц, а также чувствительностью и «чистотой» детектора.

Возьмем классический пример: нейтрино. Это очень легкие и практически неуловимые частицы, которые в огромной концентрации есть повсюду. Их в безумных количествах производит Солнце; через каждый квадратный сантиметр земной поверхности ежесекундно проходят десятки миллиардов солнечных нейтрино. Нейтрино массово рождаются в атмосфере при ее бомбардировке космическими лучам, а также в ядерных реакторах и в земных недрах при расщеплении или свободном распаде тяжелых элементов. Современные детекторы «видят» все эти нейтринные источники. А поверх этого повсюду, во всей вселенной существует фон из медленных нейтрино — отзвук тех далеких времен, когда вселенная была еще молода и горяча. Их поток еще больше, триллионы нейтрино в секунду через квадратный сантиметр, но такие медленные нейтрино физики пока регистрировать не умеют.

Детектор-фотоумножитель эксперимента LUX

Фотография: C.H. Faham / LUX Dark Matter

Нейтрино очень плохо взаимодействуют с веществом — так уж устроено слабое взаимодействие, единственный тип сил, который, наряду с гравитацией, они чувствуют. Поэтому солнечное нейтрино без проблем пролетит не только сквозь детектор, но и вообще всю Землю насквозь — и при этом ни разу не удосужится столкнуться хоть с одним атомом.

Возьмем типичное солнечное нейтрино, которое, достигнув Земли, вонзается в детектор. Его длина свободного пробега — та дистанция, которую нейтрино должно пролететь для более-менее гарантированного столкновения — порядка тысячи световых лет. Повторимся: в твердом веществе! То есть, если бы мы заполнили всё космическое пространство вплоть до ближайших звезд сплошным веществом с земной плотностью, даже такой гиперфантастический детектор улавливал бы лишь небольшую долю всех нейтрино, выпущенных солнцем!

Размеры реальных нейтринных детекторов смехотворны по сравнению с этими космическими масштабами. Они достигают от силы десятков метров. Существует, правда, и километровый детектор IceCube, но там другая история, он такими низкоэнергетическими нейтрино не занимается. Вероятность того, что каждое конкретное нейтрино, пролетающее сквозь детектор, соблаговолит столкнуться с каким-то атомом внутри него — это размеры детектора поделить на длину свободного пробега, т.е. порядка 10−18. Желающие могут также оценить вероятность того, что нейтрино, пролетающее через один конкретный атом, провзаимодействует с ним.

Такие процессы — это уже следующий уровень «редкости», заметно превосходящий редкие распады из прошлого рассказа. Тем не менее, физики успешно их регистрируют! И понятно, как им это удается: сверхмалая вероятность столкновения помножить на сверхбольшие потоки нейтрино дает в результате десятки, сотни, тысячи нейтринных событий в год. Дело остается за малым — аккуратно их все зарегистрировать и измерить.

«За малым» — это, конечно, сказано с долей иронии. Заэкранировать многотонный детектор от огромного потока космических лучей, минимизировать благодаря использованию радиочистых материалов следы от распадов радиоактивных изотопов, и, наконец, научиться регистрировать небольшой отклик, который оставляет в детекторе нейтрино низкой энергии — это сложнейшие технологические задачи. За десятилетия исследований физики научились их решать, но как они это делают — тема для отдельного долгого рассказа. А пока мы только ограничимся одной иллюстрацией, «гвоздем» недавнего результата детектора Borexino, сумевшего поймать солнечные нейтрино из протон-протонного цикла горения.


Темная темная материя

Если нейтрино физики уловить уже научились, то вот с другими невидимками — частицами темной материи — дело обстоит куда хуже. Мы знаем, что темной материи в космосе много, а также что она состоит из частиц нового, неизвестного сорта, которые на коллайдерах пока не обнаружены. Темная материя заполняет собой нашу галактику, и все объекты в ней, включая Землю, как бы «продираются» сквозь ее встречный поток. Из-за того, что частицы темной материи очень плохо взаимодействуют с обычным веществом, мы этот поток не замечаем. Лишь очень редко где-нибудь в толще вещества такая частица сталкивается с каким-то атомом, передает ему небольшую энергию, которая тут же рассасывается в веществе — и всё. Единственная надежда физиков — на то, что в те редкие моменты, когда такое столкновение происходит внутри установленного глубоко под землей сверхчувствительного детектора, они смогут отловить это небольшое энерговыделение и доказать, что его нельзя списать на другие причины.

За последние десятилетия было уже проведено несколько десятков экспериментов по прямому поиску частиц темной материи, но подавляющее большинство их дало нулевой результат (отдельно следует упомянуть до сих пор необъясненный результат эксперимента DAMA/Libra). Ученые, конечно, не бросают это дело и постоянно придумывают новые идеи, как еще можно попробовать отловить эти частицы-призраки — слишком уж важен этот вопрос для современной физики.

Справедливости ради надо сказать, что поиск темной материи — задача куда сложнее регистрации нейтрино. Во-первых, про нейтрино мы немало знали еще до их поимки. Дело в том, что нейтрино — частица своя, родная, она из Стандартной модели. Мы понимаем, как нейтрино должны взамодействовать и как их искать. А вот с темной материей ничего подобного нет. Мы не знаем ни массу этих частиц, ни вероятность их взаимодействия с веществом. Мы можем только пытаться их ловить всеми возможными способами и во всех доступных проверке диапазонах масс. Но никакой гарантии, что вот в таком-то эксперименте обязательно обнаружится темная материя, у нас нет.

Вторая причина более прозаична, но всё равно неприятна. Поток «встречного ветра» из частиц темной материи, дующий сквозь Землю, не такой уж большой (и он, кстати, тоже не известен точно, а сильно зависит от массы частиц). Для умеренно тяжелых частиц темной материи он примерно в миллион раз меньше солнечного нейтринного потока. Впечатляет, что, несмотря на такой слабый поток, нынешние ограничения на вероятность взаимодействия частицы темной материи хоть с каким-то атомом во всем детекторе сопоставимы с нейтринными, т.е. порядка 10−17.

Добавив сюда элемент драмы, можно сказать, что поиск темной материи — это многолетняя битва за тайное знание. Битва человека, вооруженного изобретательностью, новейшими технологиями и знаниями об устройстве вещества, — с самой природой. Причем, в отличие от тех же нейтрино, это битва без возможности разведки и без перехвата секретных сообщений, битва вслепую, без карты боя, битва с противником, который, возможно, неуязвим. Однако научная ценность победы (плюс бонусы в виде разработки технологий) столь велика, что ученые, несмотря на неудачи, не собираются опускать руки.

Нейтринный детектор Borexino, впервые сумевший поймать солнечные pp-нейтрино.

Кадр: Dark Matter, Dark Energy the Invisible Univers / BBC

Засветить лазером в стену

Эксперименты в физике частиц бывают не только огромные, сверхсложные и дорогие, но и вполне себе компактные и более-менее простые. Их цель — с помощью недорогой установки и нестандартной идеи проверить те или иные любопытные теоретические гипотезы, для которых эксперименты-исполины не предназначены. Такие эксперименты буквально из подручных средств встречаются и при поиске сверхредких процессов. Мы расскажем про один класс таких опытов с забавным названием «эксперименты по свечению сквозь стену».

Суть и смысл таких исследований вот в чем. Некоторые теоретические модели элементарных частиц предсказывают существование новых сверхлегких частиц — аксионов. Слово «сверхлегкие» не стоит недооценивать: эти частицы могут оказаться намного легче не только электронов, но и нейтрино. Важнейшая особенность аксионов: в присутствии внешнего магнитного поля аксионы могут превращаться в фотоны, а фотоны — в аксионы. Такое превращение, разумеется, происходит не слишком эффективно (это и есть наш сверхредкий процесс), иначе бы мы давным-давно уже заметили «пропажу» и «возникновение» света. Никаким иным образом аксионы с миром обычных частиц не связаны; в частности, они могут беспрепятственно проходить сквозь вещество.

Но если так, то возникает любопытная экспериментальная возможность: возьмем лазер и посветим им прямо на непрозрачную стену, но только так, чтоб лазерный луч прошел через область магнитного поля. Если эта теория верна, некоторые фотоны успеют превратиться в аксионы до того, как луч упрется в стенку. Эти аксионы будут лететь вперед, пройдут стенку насквозь, и попадут во вторую область с магнитым полем. В ней в полной темноте некоторые аксионы превратятся обратно в фотоны — и этот свет сможет поймать фотодатчик. Такой «свет из тьмы» сигнализирует о частичной регенерации света, и, поскольку стенка непрозрачна, ответственным за нее будут именно аксионы.

Причина, позволяющая такому эксперименту замахнуться на сверхредкий процесс превращения фотона в аксион, ровно та же, что и в прошлых примерах — очень большой поток частиц. Непрерывный лазерный луч мощностью, скажем, несколько ватт — это 1019 фотонов в секунду. Можно поступить еще проще, вместо лазера использовать солнечный свет, который непрерывно льется на Землю. Тогда такой поток фотонов можно собирать примерно с одного квадратного дециметра. Несколько недель работы такого эксперимента — и количество фотонов возрастает еще почти в миллион раз. И даже если из всей толпы лишь несколько фотонов сумеют превратиться в аксионы, а потом регенерировать обратно, фотодатчик их заметит.

Эксперименты такого типа проводятся в разных научных центрах, изучающих элементарные частицы (например, проект ALPS в Гамбурге). Не остался в стороне и ЦЕРН, в котором есть эксперименты обоих типов: это солнечно-аксионный телескоп CAST, который уже считается ветераном современных аксионных поисков, и его «лазерный собрат», эксперимент OSQAR. Они интересны тем, что в них для создания сильного магнитного поля используется прототип магнитов для Большого адронного коллайдера (за коллайдер беспокоиться не стоит: в ходе этих экспериментов ни один коллайдерный магнит не пострадал!). Наконец, в ЦЕРНе же был проведен и радиочастотный вариант такого эксперимента под названием CROWS. Его результаты полуторалетней давности позволили установить еще более впечатляющее ограничение сверху на вероятность превращения фотонов в аксионы и обратно — порядка 10−26.

Все эти эксперименты пока что дают отрицательные результаты, что позволяет лишь ограничивать фантазию теоретиков, но не оказывает поддержку ни одной из них. Может быть, аксионов нет вовсе. Может быть, они есть, но взаимодействуют с фотонами слишком слабо, за пределами возможностей сегодняшней аппаратуры. Ответа мы пока не знаем, но единственный способ искать его — это проводить эксперименты.

Между прочим, этот раздел экспериментальной физики частиц тоже не обошелся без своей сенсации. Десять лет назад эксперимент PVLAS, изучавший влияние магнитного поля на распространение светового луча в вакууме, обнаружил непонятный эффект. Новость всколыхнула научное сообщество — в стандартную картину мира такой эффект не вписывался, но его вполне могли бы создать аксионы! Более того, в рамках аксионной интерпретации были даже сделаны первые оценки свойств этих частиц. Но увы, сенсация долго не продержалась. Полтора года спустя та же группа сообщает, что в улучшенной версии эксперимента никакого намека на загадочный сигнал не обнаружено. По всей видимости, в ранних опытах присутствовал неучтенный электромагнитный отклик внутри установки. Например, паразитное магнитное поле, без ведома экспериментаторов залезавшее внутрь установки, могло повлиять на яркость лазера, что и создавало видимость нового физического эффекта.

Конечно, жаль, что сенсация не состоялась, но, с другой стороны, эта история вполне характерна для современной экспериментальной физики. PVLAS — это эксперимент на пределе не только чувствительности аппаратуры, но и способности самих физиков отлавливать посторонние эффекты. Время от времени такие эксперименты неизбежно выдают неподтвержденные в дальнейшем сигналы. Подобные ситуации повторяются практически каждый год и различаются лишь степенью ажиотажа. Тщательная проверка и перепроверка результатов — абсолютно необходимое испытание, которое должна выдержать заявка на неожиданное открытие, прежде чем стать частью научного знания.

Сверхдолгие распады

Последний тип редких процессов, про который мы расскажем, тоже касается распадов частиц. Но только здесь речь пойдет про долгоживущие, — даже так, сверхдолгоживущие — частицы, время жизни которых составляет многие годы. Среди элементарных частиц — несмотря на диапазон времён их жизни в двадцать с лишним порядков — таких кандидатов нет. Зато они встречаются в ядерной физике, это метастабильные ядра. Оказывается, периоды полураспада радиоактивных ядер могут оставлять не только минуты, годы, тысячелетия, но и огромные промежутки времени, превышающие даже время существования Вселенной (13 млрд лет). И что самое поразительное, физики умеют такие безумно долгие периоды полураспада измерять.

Прежде чем начинать пугать читателя огромными числами, поясним, чем эта ситуация отличается от редких распадов мюона или B-мезонов. Те частицы живут не слишком долго, потому что они умеют распадаться за счет какого-то стандартного распада. Наша задача там — среди всего огромного количество обыкновенных распадов отловить несколько событий с распадом необыкновенным. Здесь ситуация иная. Сверхдолгоживущие ядра умеют распадаться только за счет редкого процесса и никак иначе. Поэтому, с одной стороны, их распад безумно затягивается, но с другой стороны, каждый распад — это положительный результат. И там, и тут мы ищем сверхредкие события, но если раньше это был поиск микроскопической иголки в стоге сена, то теперь это поиск иголки на ощупь в огромном пустом космическом пространстве.

Теперь про эксперименты. Не будем долго ходить вокруг да около, а сразу озвучим рекорд. На сегодняшний день самое долгоживущее ядро с экспериментально измеренным временем жизни — это изотоп теллура-128. Его время жизни равно 2·1024 лет, и известно оно с погрешностью около 15%. Взгляните еще раз на это число: такое время жизни на четырнадцать порядков превышает возраст Вселенной!

Иллюстрация к закону радиоактивного распада

Возникает естественный вопрос: а как вообще физики умудряются измерять времена жизни, которые настолько больше длительности обычного лабораторного эксперимента? Ответ кроется в самом законе радиоактивного распада. Когда мы говорим, что период полураспада равен T, это вовсе не значит, что каждое ядро живет ровно столько времени, а потом половина ядер распадается. Каждое конкретное ядро не умеет отсчитывать, сколько ему осталось жить, свои попытки распасться оно начинает сразу после возникновения. Если распад затруднен в силу какого-то физического закона, то в среднем эти попытки остаются безуспешными в течение долгого времени. Но они существуют всегда, и поэтому есть маленькая вероятность того, что какое-то ядро — бац! — и распадется гораздо раньше среднего. Если мы наблюдаем за ядром в течение короткого времени t, то вероятность того, что оно распадется, равна p = t/T. Это и есть наш редкий процесс. Можно даже прикинуть числа: для теллура-128 и для времени наблюдения один год вероятность распада одного ядра равна p = 5·10−25.

Предсказать момент распада каждого конкретного ядра невозможно — здесь работает всё тот же квантовый закон, с которого мы в прошлый раз и начинали свой рассказ. Но если собрать очень много таких ядер, то распады будут происходить постоянно, в том числе и в первый год наблюдения. Именно так физики и измеряют сверхдолгие времена жизни. Вероятность, что одно конкретное ядро распадется за год, ничтожно мала, но вероятность того, что распадется хоть одного ядро из их макроскопического количества (т.е. порядка числа Авогадро ядер) — уже существенная.

Физики уверены, что существуют и еще более долгоживущие ядра, но только их периоды полураспада измерить пока не получается. Впрочем, не все из них одинаково интересны. Главное внимание здесь приковано к ядрам, которые могли бы распадаться за счет экзотической формы радиоактивности: безнейтринного двойного бета-распада (обозначается 0νββ). Это такой распад, при котором из ядра вылетают сразу два электрона — и больше ничего, никаких нейтрино. Экспериментов по его поиску проводилось много, но все они пока давали отрицательный результат. Но что самое поразительное: физики до сих пор не знают, возможно ли такое превращение вообще или нет. Ответ зависит от того, кто такие антинейтрино, отличаются ли они от самих нейтрино или нет. И это вовсе не рядовой вопрос, это одна из главных загадок во всей физике элементарных частиц, на экспериментальное решение которой тратятся усилия многих лабораторий мира. Вот так и получается, что сверхредкий процесс из ядерной физики может оказать огромную помощь фундаментальной физике элементарных частиц.

Раз мы решили сопровождать каждый сюжет своей несостоявшейся сенсацией, упомянем вкратце и случай из истории поисков безнейтринного двойного бета-распада. В 2002 году коллаборация Гейдельберг-Москва — а точнее, группа из нескольких членов этой коллаборации, — сообщила, что им удалось зарегистрировать следы безнейтринного двойного бета-распада германия-76. Однако уже самые первые отклики специалистов были очень скептическими: анализ и интерпретация данных казались физикам необоснованными. Ситуация находилась в подвешеном состоянии несколько лет, пока наконец в 2013 году новый, более чувствительный эксперимент GERDA не повторил это исследование. И вот его результат: никакого намека на сигнал нет. Пока что установлено ограничение снизу на период полураспада T > 2,1·1025 лет, что еще не закрывает несостоявшуюся сенсацию окончательно. Но сейчас готовится новая фаза эксперимента, и через несколько лет этот результат планируется улучшить на порядок. Ну а пока на страницах научной прессы продолжается полемика между руководителем коллаборации Гейдельберг-Москва и другими физиками насчет того, опроверг эксперимент GERDA их результат или нет.

Число 1025 лет выглядит пугающе большим, но даже оно не является пределом чувствительности современных детекторов. Определенные изотопы германия или других элементов — материал редкий и его удается собрать не слишком много. А вот если взять что-то более распространенное и поместить внутрь гигантского детектора, тогда чувствительность возрастет еще на порядки. Именно так обстоит дело с другим гипотетическим процессом, распадом протона.

Вообще, современная физика частиц — точнее, экспериментально проверенная ее часть, — считает протон абсолютно стабильным. Но в теориях за пределами Стандартной модели он может распадаться. Поскольку такой распад имеет, прямо скажем, судьбоносное значение для всей Вселенной, физики ставят эксперименты по его поиску. И вот здесь проблем с дефицитом материала нет: протоны (ядра водорода) в огромных количествах присутствуют, например, в обычной воде. Поэтому можно взять огромный бак, заполнить его тысячами тонн сверхчистой воды, и сидеть-ждать следы от распадов протона. Именно так устроен японский детектор Super-Kamiokande, который уже встречался нам в нейтринной главе, но который изначально был создан для охоты за распадающимися протонами. Свидетельств в пользу такого крамольного процесса он пока не обнаружил и установил ограничение снизу на период полураспада: T > 1033 лет.

А в качестве общего итога хочется еще раз подчеркнуть ключевую мысль. Эксперимент в физике частиц может изучать глубинное устройство нашего мира не только с позиции грубой силы («даешь большие энергии! даешь мощные столкновения!»), но и с помощью аккуратных измерений тонких эффектов. Поиск и изучение сверхредких процессов, от которых по какой-то причине «отнекивается» Стандартная модель, может стать первой лазейкой в мир за ее пределами, поможет вскрыть новый, более глубинный пласт устройства нашего мира.

Внутренности японского детектора Super-Kamiokande

Фотография: Super-Kamiokande

Игорь Иванов


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.