Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

После шести напряженных месяцев настройки аппарата Ву начала эксперимент и получила ответ уже через несколько минут: бета-электроны двигались чаще всего в направлении, обратном направлению магнитного поля. Принцип сохранения четности на ее глазах корчился в предсмертных конвульсиях.

Разумеется, Ву поддерживала постоянную связь с Ли и Янгом. В четверг 3 января 1957 года она позвонила Ли, чтобы рассказать о своих результатах. Ли завел на кафедре физики Колумбийского университета традицию собираться на обед по пятницам в одном из отличных китайских ресторанов неподалеку от кампуса. На следующий день он поделился новостями с коллегами… и погрузил в глубокую задумчивость своего коллегу-профессора Леона Ледермана. Возможно, это был самый короткий в истории науки промежуток между формулированием концепции и получением результата (для открытия такого масштаба): уже к вечеру того же дня Ледерман и его коллега Ричард Гарвин придумали новый метод для тестирования паритета слабого взаимодействия; к двум часам ночи они опробовали его на циклотроне в лаборатории Невис, подразделении Колумбийского университета, в нескольких километрах вверх по реке Гудзон; а к шести утра в следующий вторник у них уже появился вполне конкретный результат, подтвердивший выводы Ву¹⁵⁶. Группа из Чикагского университета, также проводившая аналогичный эксперимент в течение нескольких месяцев, получила еще через несколько дней результат, совпавший с результатом Гарвина и Ледермана. Закон сохранения четности не просто умер; он аннигилировался¹⁵⁷.

15 января, меньше чем через две недели после того, как Ву позвонила Ли, Колумбийский университет сделал необычный шаг и провел пресс-конференцию, на которой было объявлено о результатах (таким образом присвоив себе также и всю славу чикагской группы, которая вообще не была упомянута). В статье, появившейся на первой полосе газеты New York Times¹⁵⁸, была процитирована фраза И. А. Раби, заведующего кафедрой физики Колумбийского университета:

Можно сказать, что достаточно цельная теоретическая структура оказалась потрясена до основания, и мы не уверены, сможем ли собрать ее по кусочкам заново.

Вот какие масштабные разрушения произвел в науке факт открытия нейтрино.

Чуть позже в том же году Ли и Ян получили Нобелевскую премию. Многие считают, что премию могла бы получить и Ву Цзяньсюн. В том же полном событий году элегантный эксперимент в Брукхейвене продемонстрировал, что нейтрино можно считать «левшой» – частица во время своего движения в космосе вращается против часовой стрелки¹⁵⁹. И это заставляет нас снова вспомнить об Этторе Майоране.

Из нулевого результата Рэя Дэвиса при работе с «реакторными» нейтрино и доказанного Кованом и Рейнесом факта того, что нейтрино и его античастица отличаются друг от друга, можно сделать вывод о том, что нейтрино действительно имеет античастицу. Однако оказывается, что это не всегда так. Теория утверждает, что реакция превращения хлора в аргон, лежащая в основе метода Дэвиса, зависит не от различий между частицей и античастицей, а от ориентации: инициировать реакцию может лишь частица-«левша». И даже через 80 лет после того, как Майорана предположил, что нейтрино может представлять собой свою собственную античастицу, свидетельств этому так и не было получено. Если он был прав, то Кован и Рейнес нашли не антинейтрино, а правостороннее нейтрино. В последующие десятилетия, по мере дальнейшего развития физики, гипотеза Майораны приобрела дополнительный смысл. Теперь физики понимают, что эта гипотеза имеет значение не только для нейтринной физики, но и для некоторых важнейших вопросов физики частиц и космологии, пока что остающихся без ответа¹⁶⁰.

Луи Пастер сказал как-то, что «в области наблюдений удача вознаграждает лишь подготовленные умы». И Рэй Дэвис, и Фред Рейнес достаточно хорошо подготовили свои умы, однако удача благоволила Рейнесу (учитывая, как мало было известно о нейтрино в то время, это действительно был вопрос удачи). Но Дэвис, истинный ученый и отличный провидец, не сдался. Доказав самому себе, что его метод не позволяет выявить «реакторные» нейтрино (это доказательство заняло у него еще несколько лет), он обратил свое внимание к Солнцу.

* * *

Сидя в своем теплом цюрихском уголке, Вольфганг Паули c огромным интересом наблюдал за развитием «славной революции». В конце концов, идея пространственной четности представляла собой одно из его основных наваждений; он признавался в наличии у себя «зеркального комплекса»¹⁶¹. За четыре года до начала революции, писал он сам позднее Карлу Юнгу, «в мире физики не происходило ничего, что могло бы заставить нас сфокусироваться на этом конкретном вопросе»¹⁶². Паули начал свое собственное исследование более глубокой формы симметрии, включавшей в себя не только пространственную четность (P), но и обращение времени (T), то есть течение времени в обратном направлении, и зарядовое сопряжение (C), представляющее собой превращение каждой частицы в системе в античастицу (в лабораторных условиях можно обратить время вспять на атомном уровне). Если система остается неизменной при зеркальном отображении всех этих трех свойств в одно и то же время – то есть при трансформации, которую Паули называл «сильным отражением», – значит, она обладает CPT-симметрией, или CPT-инвариантна.

В 1952 году Паули начал проверять, следуют ли этой симметрии фундаментальные уравнения квантовой механики и относительности, и наконец доказал истинность этого ближе к концу 1954 года¹⁶³. По сей день никакие эксперименты не смогли опровергнуть CPT-теорему Паули, и она считается его третьим великим вкладом в физику – после принципа запрета и предсказания нейтрино.

С учетом крушения принципа сохранения четности, и особенно с учетом той важной роли, которую сыграло в этом крушение «его» нейтрино, Паули и его новая теорема оказались у всех на устах¹⁶⁴. «Для многих физиков», по словам Т. Д. Ли, «CPT превратилась в краеугольную точку, вокруг которой вращалось все остальное»¹⁶⁵.

Если вы помните, Паули поделился с Юнгом идеей о зеркальной связи между психологией и физикой. «„Зеркальное отображение“ можно считать архетипом»¹⁶⁶ – заявил он в одном интервью в 1957 году, после того как стала известна новость о нарушении четности:

Это каким-то образом связано с физикой. Физика основана на зеркальной симметрии мышления и природы… [Во время работы над теоремой CPT] у меня были очень живые, почти парапсихологические мечты о зеркалах в те моменты, пока я занимался математическими вычислениями в течение дня… Я бы назвал это синхронностью особого рода, поскольку в каждом активном занятии всегда присутствуют подсознательные мотивы.

Вскоре после завершения своей исчерпывающей работы над теоремой Паули увидел, по его словам, «очень впечатляющий сон»¹⁶⁷:

Я нахожусь в какой-то комнате вместе с Темной Женщиной, и какие-то другие люди проводят там эксперименты с появлением отражений. Участники опытов воспринимают отражения как реальные объекты, но мы с Темной Женщиной знаем, что это всего лишь зеркальные образы. Это становится нашим общим секретом. Этот секрет наполняет нас ощущением понимания. После этого мы вдвоем с Темной Женщиной идем вниз по крутому горному склону…

В длинном письме Юнгу, отправленном в 1957 году, Паули подробно излагает этот сон и напоминает Юнгу о «китаянке», которую постоянно видел в своих снах и считал «особым отображением – возможно, парапсихологическим – „Темной Женщины“». Юнг вспоминал, что в более ранних снах у китаянки «был ребенок, однако „люди“ отказались это признать». Паули считал, что «другие люди» в его снах представляют его собственные «привычные возражения против определенных идей – и страх перед ними». Секрет, которым он делится с Темной Женщиной и который наполняет его пониманием, – это факт «отсутствия симметрии [объектов] и отражений во сне, поскольку самое главное как раз и связано с поиском различий между ними». Иными словами, сон говорит о нарушении пространственной четности.

Этот впечатляющий сон приснился Паули примерно за полтора года до того, как Ли и Янг поставили под сомнение закон сохранения пространственной четности, и за два года до того, как еще одна китаянка доказала, что закон в самом деле неверен. Паули встречался с мадам Ву в Беркли в 1941-м и «был очень впечатлен ею – и как физиком-экспериментатором, и как умной и красивой молодой китайской дамой¹⁶⁸». В своих исследованиях Паули не удосужился изучить фундаментальную природу самой пространственной четности, поскольку в то время был уверен в универсальности принципа ее сохранения. Он придерживался этой точки зрения и после начала «славной революции». И даже когда Ли и Янг призвали к проведению экспериментов для тестирования пространственной четности, Паули был твердо убежден в том, что принципу сохранения четности удастся выжить.

Через шесть месяцев появились результаты, и всего через несколько дней они уже пересекли Атлантический океан. 17 января 1957 года, в тот же день, когда газета New York Times на первой полосе объявила о крушении принципа сохранения четности, Паули чуть не заключил новое пари с почти гарантированным проигрышем: «Я не верю в то, что Бог плохо играет левой рукой, – писал он своему ученику Виктору Вайсскопфу, – и готов поставить очень крупную сумму на то, что эксперименты продемонстрируют симметричные результаты»¹⁶⁹.

День расплаты наступил всего через четыре дня, с утренней почтой. В ней Паули обнаружил копию статьи из Times, которую ему, вместе с двумя теоретическими статьями Ли и Янга, посвященными последствиям нарушения сохранения четности, отправил еще один бывший ученик¹⁷⁰. Ближе к вечеру Паули получил письмо с детальным описанием всех трех экспериментов от Валентина Телегди, лидера чикагской группы. По очередному «совпадению» Паули тем же вечером должен был читать лекцию об истории нейтрино в Цюрихском обществе естественных наук. По словам очевидцев, это была прекрасная лекция, а сам Паули был очень воодушевлен¹⁷¹. В конце выступления он поделился новостями о нарушении сохранения четности и своими «размышлениями» об этой проблеме и ее важности.

Несмотря на его очевидную браваду, смерть принципа сохранения четности стала шоком для этого человека, поскольку симметрия имела для него чуть ли не мистическую важность. В день, когда до него дошли новости, он нашел время, чтобы написать мадам Ву:

Я поздравляю вас (но не себя самого)¹⁷². Эта частица, нейтрино, к существованию которой я приложил руку, до сих пор наказывает меня.

А в своем письме Юнгу, написанном в 1957 году, он говорил, что был «очень расстроен» после получения новостей и «некоторое время вел себя нерациональным образом»¹⁷³. Через шесть дней после своего поражения он писал Вайсскопфу:

Теперь, после того как прошел первый шок, я начинаю вновь собираться с силами. Хорошо, что я не заключил пари. Я потерял бы много денег (а я не могу себе этого позволить); однако я все же выставил себя дураком (и думаю, что это я очень хорошо умею)… Я потрясен скорее не тем фактом, что Господь предпочитает ту или иную руку, а тем, что, когда он выражает себя сильным образом, левосторонняя симметрия все же сохраняется. Короче говоря, главный вопрос теперь выглядит так: почему сильные взаимодействия все же сохраняют и левую, и правую симметрию?¹⁷⁴

В уравнениях физики нет ничего, способного объяснить, почему слабое взаимодействие должно нарушать четность. Сильное взаимодействие, равно как и электромагнитная сила или гравитация, продолжают следовать этому принципу. Со временем Паули успокоился на том, что идея сильного отражения, или CPT-симметрии, сохранила свою актуальность, и это спокойствие наглядно проявлялось в его размышлениях. Последним научным трудом Вольфганга Паули было эссе на тему истории нейтрино, основанное на его же лекции, прочитанной в тот странный вечер в Цюрихе¹⁷⁵. Паули было приятно не только то, что Кован и Рейнес смогли доказать истинность его давнего прозрения, но и то, какую шумиху и какой сильный импульс к дальнейшему развитию физики породила его крошечная частица. Завершив работу над эссе в сентябре 1958 года, он отправил копию Лизе Мейтнер в качестве подарка к 80-летию¹⁷⁶.

Паули умер внезапно, 15 декабря, за несколько месяцев до своего 59-летия, через несколько дней после того, как у него был диагностирован рак поджелудочной железы. До самого момента смерти этого блестящего и незаурядного человека преследовали странные совпадения. Еще одно из его наваждений было связано с тем, что он, как и многие другие, очень серьезно относился к так называемой постоянной тонкой структуры – соотношению фундаментальных физических констант, которое выражается простым числом со значением, примерно равным 1/137¹⁷⁷.

Как-то Паули написал, что «теоретическая интерпретация этого численного значения представляет собой одну из важнейших нерешенных проблем атомной физики»¹⁷⁸. Чарльз Энц добавляет, что «число 137 имело иррациональное, магическое значение для Паули»¹⁷⁹.

Паули умер в больнице Красного Креста в Цюрихе, в палате № 137.

Часть II
Мечта о нейтринной астрономии

Глава 4
Физика по-висконсински

 
Я жду зажигания, я ищу искру.
Удар – и я зажгусь во тьме.
 

– Питер Гэбриел

Как-то Фред Рейнес сказал Фрэнсису Халзену, что после того, как он и Клайд Кован доказали, «что частица действительно существует, буквально все тут же начали говорить о том, что пучки нейтрино могут использоваться в изучении астрономии»¹⁸⁰.

Однако очень немногие решали написать об этом предположении¹⁸¹, и впервые оно появилось в научной литературе в 1958-м, в год смерти Вольфганга Паули. Это была дипломная работа Игоря Железных¹⁸² – ученика уважаемого теоретика частиц Моисея Маркова из Московского государственного университета (Железных с готовностью признает, что идея статьи принадлежала его наставнику¹⁸³). Впервые Марков представил свою концепцию публике в ходе конференции по физике высоких энергий в Рочестере, штат Нью-Йорк, в 1960 году¹⁸⁴, и примерно в то же время Кеннет Грейзен из Корнелльского университета, ранее работавший в «Манхэттенском проекте», выдвинул аналогичную идею на конференции в Беркли¹⁸⁵.

Хотя концепции Маркова и Грейзена были основаны на одном и том же базовом принципе, между ними имелись фундаментальные различия, в результате чего на протяжении ряда лет исследования и эксперименты шли по двум совершенно разным направлениям.

В своей речи в Рочестере Марков предложил

установить некий аппарат в подводном озере или глубоко в океане для того, чтобы отделить направление заряженной частицы по черенковскому излучению¹⁸⁶.

Затем он расширил эту идею в журнальной статье, написанной вместе с Железных и опубликованной в январе следующего года¹⁸⁷:

Все известные частицы, за исключением нейтрино, абсорбируются километрами [толщи Земли] и, таким образом, полностью экранируются планетой… Примечательно, что в ходе эксперимента можно выявить не только μ-мезоны [мюоны] (от реакций с участием нейтрино), возникающие в самом детекторе, но и μ-мезоны с примыкающих слоев земли (так называемой подушки).

Это было первое описание телескопа, предназначенного для того, чтобы ловить нейтрино, прошедшие свой путь сквозь всю планету. И именно этот метод отлично работает для целей проекта AMANDA и телескопа IceCube.

В своем примечательном выступлении в Беркли Грейзен предрекал будущее развитие

высокоэнергетической нейтринной астрономии… Нейтрино будут передавать новый тип астрономической информации, отличной от той, которую переносят световые и радиоволны¹⁸⁸.

А в конце уже ставшей классикой обзорной статьи на тему потоков космических лучей¹⁸⁹, опубликованной в декабре 1960 года, он предложил «разместить глубоко под землей большой черенковский счетчик, около 15 метров в диаметре». Поскольку такой инструмент обладал бы очень небольшим значением углового разрешения, то он представлял бы собой скорее детектор, а не телескоп – зато его можно было подготовить к работе и получить нужные результаты быстрее, чем прибор, предложенный Марковым.

Оба этих провидца уделяли особое внимание вопросу обнаружения μ-мезонов, или мюонов. Нужно сказать, что они значительно опережали в своих размышлениях других исследователей, поскольку в 1960 году еще не было доказано, что мюонные нейтрино вообще существуют. Они были найдены только через два года командой физиков, в которую входил тот самый Леон Ледерман, который сыграл важную роль в открытии принципа несохранения четности¹⁹⁰. Экспериментальный метод, требовавший необычайно мощного для того времени ускорителя, был изобретен Бруно Понтекорво в России раньше, чем эта идея пришла в головы команде Ледермана¹⁹¹, однако советским ученым так и не удалось его реализовать (в отличие от американцев), так что именно Ледерман и его товарищи получили в 1988 году Нобелевскую премию по физике. Несмотря на то что в основе их работы лежали идеи Понтекорво, сам он не вошел в число лауреатов.

Принцип, лежащий в основе концепций Маркова и Грейзена (по сути дела, это третий метод выявления нейтрино), состоит в следующем: когда мюонное нейтрино сталкивается с нуклоном и создает мюон путем обратного бета-распада, то новорожденный мюон будет быстро удаляться от места гибели своего родителя почти в том же направлении, что и нейтрино, – примерно так же, как бильярдный шар после прямого удара шара-битка, – и будет излучать при этом слабое голубое «черенковское излучение». Установив набор оптических детекторов внутри или вокруг определенного носителя по своему выбору, экспериментатор может определить направление мюона и, соответственно, его родителя-нейтрино. По этой причине обе концепции имеют общее название «детекторов Черенкова».

Эта форма излучения названа в честь русского физика Павла Алексеевича Черенкова, получившего за ее открытие в 1958 году часть Нобелевской премии по физике. Излучение возникает каждый раз, когда заряженная частица, например мюон, движется в преломляющей среде быстрее скорости света. Самым распространенным примером излучения выступает жутковатый синий свет, возникающий в бассейновых ядерных реакторах или при погружении в воду отработанных ядерных батарей. В этих случаях свет создается электронами, излучаемыми при бета-распаде многих радиоактивных побочных продуктов уранового реакторного топлива.

Если вы сейчас вспоминаете постулат специальной теории относительности Эйнштейна о том, что ничто не способно перемещаться быстрее скорости света, то не беспокойтесь – в данном случае постулат никак не нарушается. Эйнштейн говорил о скорости света в вакууме. В рефракционной среде, такой как вода, лед, стекло или даже воздух, свет будет двигаться не так быстро, поэтому в таких средах скорость частиц иного рода может оказаться выше, то есть общий закон не нарушается.

Черенковское излучение представляет собой оптический эквивалент звукового удара, который возникает, когда реактивный самолет «преодолевает звуковой барьер», то есть начинает двигаться быстрее скорости звука. Поскольку звук не может догнать самолет, он движется вслед за ним точно так же, как волны, расходящиеся по воде под углом позади скоростного катера. В ситуации с тремя измерениями – как в случае реактивного самолета или ускоряющегося мюона – звуковые или световые волны принимают форму конуса, а не V-образную форму, как волны позади катера. Иными словами, мюон «тащит» за собой конус черенковского излучения. Если бы мюон проходил сквозь проекционный экран, то в этот момент на экране появлялось бы пятно света, которое тут же превращалось бы в крошечный кружок. Затем этот кружок постепенно бы рос и становился менее ярким по мере того, как мюон удалялся бы от экрана.

В сущности, основное различие между концепциями Грейзена и Маркова связано с геометрией. Идея Маркова состояла в том, чтобы поместить трехмерную сетку оптических детекторов в естественный водоем и наблюдать за тем, как мюоны, рожденные нейтрино, будут проходить сквозь нее. Давайте договоримся называть такой тип конструкции марковской или «пудинговой»¹⁹², поскольку детекторы в ней расположены внутри так называемой зоны обнаружения.

Идея Грейзена состояла в том, чтобы окружить рукотворную емкость с водой оболочкой из детекторов, и в этом случае детекторы будут очевидным образом располагаться за пределами зоны обнаружения. Такой тип конструкции мы назовем «конструкцией Грейзена» или «оболочковой» конструкцией. В обоих случаях, чем больше зона обнаружения у детектора, тем более чувствительным он будет, поскольку повышается вероятность того, что сквозь него пройдет нейтрино или рожденный последним мюон.

Давайте сейчас перенесемся на несколько десятилетий вперед и представим себе конус черенковского излучения, тянущийся за мюоном в то время, как тот проходит сквозь IceCube. Конус – это трехмерный вариант волн от лодки, плывущей по поверхности тихого озера. Трехмерная сетка оптических детекторов, которую ученые помещают внутрь льда, по своей сути аналогична двухмерной сетке из поплавков, плавающих на поверхности озера. По мере того как лодка будет проходить мимо поплавков, они начнут колебаться вверх и вниз. Если вам известна скорость волн, то с помощью простых алгебраических и геометрических построений вы можете определить скорость и направление движения лодки – для этого достаточно знать время, в которое волны ударяются о тот или иной поплавок. Точно таким же образом ученые, работающие с IceCube, восстанавливают направление и скорость невидимого мюона, проходящего сквозь трехмерный детектор. Фрэнсис Халзен объясняет это так:

Представьте себе, что вы летите над озером на самолете. Возможно, вы и не увидите саму лодку, но волны скажут вам, где она находится и куда направляется.

Причина, по которой Марков и Грейзен сосредоточились на мюонах, а не на электронах, заключалась в том, что они понимали, какую частицу проще выявить. Дело в том, что мюон обладает достаточной массой и, соответственно, импульсом для движения по прямой практически в любой среде; электрон, масса которого в 200 раз меньше, будет отклоняться под воздействием электрических полей расположенных неподалеку ядер и начинает колебаться на расстоянии нескольких метров от места своего рождения. С каждым колебанием электрон создает так называемое тормозное излучение: фотоны, которые, в свою очередь, при наличии достаточной энергии создадут пары электрон-позитрон. Эти вторичные пары также начнут колебаться и создавать еще больше тормозного излучения, будут появляться все новые пары и так далее. В результате (в конкретном случае IceCube) возникнет так называемый каскад¹⁹³: короткая сигарообразная вспышка света, пропорциональная по своему объему энергии электронного нейтрино, создавшего ее, и указывающая в направлении, в котором двигалось это нейтрино.

Помимо того что длинный и прямой след мюона увидеть намного проще, чем каскад, представляется возможным более точно определить его направление. Соответственно, мы получаем более точное направление движения его родительской частицы – нейтрино. След мюона более полезен для целей астрономии, поскольку он позволяет лучше понять, от какого космического объекта летело нейтрино. Высокоэнергетические мюоны (порожденные высокоэнергетическими нейтрино) имеют и еще одно преимущество – перед своим распадом они могут пролететь несколько километров сквозь лед или камень. Именно это имели в виду Марков и Железных, говоря о «подушке»: «пудинговая» конструкция позволяет выявить мюон, даже если он зародился на большом расстоянии от сетки детектора. Помните, что мы ищем мюоны, направленные вверх, то есть те, что были созданы нейтрино где-то к северу от Южного полюса. IceCube может выявить мюон, рожденный во льду или на материковом грунте снизу или сбоку от устройства, поскольку рано или поздно путь мюона будет заметен внутри сетки приборов. Это увеличивает рабочий объем детектора и в целом делает данный тип инструмента более чувствительным именно к мюонным, а не электронным нейтрино.

Детектор нейтрино должен располагаться глубоко под землей (или под водой или льдом), поскольку эти среды экранируют детектор от падающих на Землю космических лучей. Первичные космические лучи, летящие к нашей планете и состоящие в основном из протонов и других заряженных ядер, сталкиваются с ядрами азота, кислорода и других элементов в верхних слоях атмосферы, создавая потоки направленных вниз пионов и других «вторичных» космических лучей. Те в свою очередь распадаются на другие частицы (например мюоны) или сами сталкиваются с атмосферой и создают так называемые воздушные потоки. Все это служит хорошим примером сходства между космическими ускорителями и их рукотворными аналогами.

Два направленных вверх мюонных нейтрино (νμ), выявленных марковским инструментом или «пудинговой» конструкцией. Нейтрино слева взаимодействует с нуклоном ниже инструмента, создавая мюон (μ), который проходит сквозь детектор вместе с конусом черенковского света. Нейтрино справа вступает во взаимодействие внутри детектора. Следы мюонов определяют направление соответствующих нейтрино.

Принцип, лежащий в основе работы всех ускорителей, предполагает использование мощных электромагнитных полей для ускорения пучков заряженных частиц до высоких энергий, после чего эти пучки сталкиваются с мишенями, или «поглотителями пучка». В случае рукотворного ускорителя это может быть слой углерода, а для космических лучей поглотителем выступает атмосфера Земли. Первичные космические лучи, протоны и ядра, получившие ускорение вследствие какого-то космического катаклизма, вылетают в межзвездное пространство, а затем направляются межзвездными электромагнитными полями по сложной траектории в сторону в том числе и нашей планеты. Они сталкиваются с поглотителем пучка в земной атмосфере и создают вторичные частицы, точно так же как это делает пучок в созданном человеком ускорителе.

Как возникает редкая или новая частица в ускорителе? Все начинается с довольно простого появления заряженной частицы, например протона; затем он ускоряется либо по прямолинейной, либо по круговой траектории за счет воздействия сконцентрированных электромагнитных полей; после этого он попадает в поглотитель пучка, а ученые с помощью специальных детекторов изучают возникающие в результате этого осколки и обломки. В некоторых конструкциях два пучка направлены друг на друга (Ричард Фейнман говорил, что это то же самое, что колотить друг о друга парой швейцарских часов, чтобы понять, что у них внутри).

Стандартная единица энергии в физике частиц – это электрон-вольт (эВ), то есть кинетическая энергия, приобретаемая электроном при разности потенциалов в 1 вольт. По нашим привычным меркам это почти ничто – 100-ваттная лампочка каждую секунду испускает почти 10²¹ (один миллиард триллионов) электрон-вольт, – однако этот показатель отлично подходит для описания масс элементарных частиц. К примеру, электрон обладает так называемой массой покоя (то есть энергией массы без учета энергии движения), равной примерно 510 эВ. А поскольку Эйнштейн показал, что масса и энергия эквивалентны, то для того, чтобы создать больше массивных частиц в результате удара потока о поглотитель, нам нужен более мощный пучок энергии. Добиться нужного результата можно либо за счет увеличения размеров ускорителя (что позволяет ускорять пучок на более длинном расстоянии), либо за счет использования более сильных электромагнитных полей.

Нынешний рекордсмен – находящийся в ЦЕРН Большой адронный коллайдер (БАК) стоимостью в 10 млрд долл., с помощью которого в 2012-м был открыт бозон Хиггса. Внутри БАК встречные пучки протонов или тяжелых ионов свинца летят навстречу друг другу по кольцевому туннелю длиной 27 километров, а затем сталкиваются в заранее намеченных точках, создавая энергию (в случае протона) на уровне 14 триллионов электрон-вольт.

Поскольку космические ускорители не ограничены бюджетами на проведение международных научных исследований и соображениями, связанными с недвижимостью, а масштабы их деятельности определяются совсем другими параметрами, такими как размеры Земли или даже Солнечной системы, они создают энергию намного больше той, которую когда-либо смогут создать люди. На данный момент рекорд принадлежит так называемой частице Oh-My-God («О боже мой!»)¹⁹⁴, впервые выявленной в 1991 году детектором под названием «Глаз мухи» в пустыне штата Юта (кстати, этот инструмент изобрел Кеннет Грейзен). Эта единственная субъядерная частица была способна нанести удар такой же силы, что и бейсбольный мяч, летящий со скоростью 100 км в час, что в 300 000 раз превышает возможности БАК. Она могла представлять собой протон, тяжелый ион или даже нейтрино¹⁹⁵; однако точно это узнать невозможно, поскольку частица погибла при столкновении с атмосферой, дав рождение потоку из примерно 200 миллиардов вторичных частиц и продуктов распада¹⁹⁶.

Полтора километра льда над IceCube служат щитом от направленных вниз космических лучей; тем не менее некоторым из них все равно удается пробиться достаточно глубоко и достичь массива датчиков. На каждый интересный для ученых мюон, родившийся из устремленного вверх нейтрино, приходится около миллиона атмосферных мюонов, попадающих на детектор сверху. Одна из основных проблем этой технологии – разделение следов мюонов, направленных вверх и вниз. Как вы понимаете, выбирать направленные вверх иголки из направленного вниз стога сена – дело непростое.

Оболочковая конструкция Грейзена обычно представляет собой большую емкость, наполненную чистой и прозрачной жидкостью (как правило, водой) и полностью окруженную стенками из оптических детекторов, расположенных впритык друг к другу. Конструкция размещается на глубине более полутора километров, например в шахте. Предполагается, что детекторы должны выявлять лишь те мюоны, которые зарождаются внутри емкости, и для помощи этому Грейзен предложил, чтобы первичный детектор «был заключен в оболочку из сцинтиллирующего материала, что позволит различать явления, связанные с нейтрино, и явления, вызываемые мюонами». Иными словами, в конструкции имеется две оболочки: внутренняя, состоящая из первичных оптических детекторов, и внешняя, состоящая из сцинтилляторов и использующаяся для исключения или «вето» атмосферных и других мюонов, рожденных за пределами детектора. Поскольку эти частицы будут проходить сквозь инструмент, они активизируют сцинтилляторы при входе и выходе, в то время как мюоны, рожденные внутри емкости, будут создавать сигнал только на выходе.