Максим Ухин
Экспериментальная установка Ice Cube в Антарктиде для уловления нейтрино, приходящих из глубин космоса. Глубина – 1450–2450 метров; объем – около 1 кубокилометра льда; количество детекторов-фотоумножителей – 5160, расположенных на 86 струнах. Иллюстрация Physorg
Фатальная для Роберта Скотта гонка с Роальдом Амундсеном за право первым быть на Южном полюсе привела к водружению знамен там. Теперь в память об этих легендарных исследователях Антарктики здесь располагается станция, носящая их имена, – Amundsen–Scott South Pole Station. Здесь в том числе работают физики, интересующиеся фундаментальными космологическими проблемами Вселенной. А Вселенная эта расширяется. И определяется это расширение вроде бы антигравитацией темной материи. По крайней мере такова одна из современных космологических гипотез. О природе темной материи идут жаркие споры.
Не так давно витала надежда, что регистрация солнечных нейтрино позволит глубже понять не только природу протекающих в недрах светила процессов, но и более отдаленных. Довольно давно известно, что нейтрино генерируются в процессе бета-распада. В этом процессе атомное ядро излучает электрон и нейтральную частицу – электронное нейтрино. В результате номер элемента в таблице Менделеева сдвигается на одну клеточку вправо.
Интересно, что левозакрученных электронов при распаде того же кобальта-60 образуется больше, чем закрученных вправо. Возможно, что это объясняет левозакрученность аминокислот и правозакрученность сахаров в наших белках.
Переносчиком событий при бета-распаде является так называемый бозон слабого (weak) взаимодействия, W-бозон. Вылетающий при этом из ядра электрон имеет столь малую энергию, что совершенно безопасен даже для клеток в культуре.
Совсем иное дело – сильное взаимодействие кварков со «склеивающими» их в протонах и нейтронах глюонами (от англ. glue – клей). Вспомните, сколько энергии выделяется при объединении двух протонов с нейтронами в ядро гелия в ходе термояда. Так и с нейтрино, прилетающими к нам от Солнца, и теми, что регистрируются в объеме «Ледяного куба» – Ice Cube. Первая очередь этой экспериментальной установки для поиска и изучения нейтрино воздвигнута на южнополярной станции Амундсена–Скотта.
Нейтринная обсерватория Ice Cube – это основной в мире детектор нейтрино, расположенный на Южном полюсе на глубине от 1450 до 2450 м в толще льда. Название Ice Cube связано с тем, что детектор занимает объем около 1 куб. км льда.
Этот «кубометр льда» состоит из 86 вертикальных струн, на каждой из которых расположены по 60 оптических детекторов – фотоумножителей, в сумме более 5 тыс. модулей плотности (см. иллюстрацию). Они регистрируют черенковское излучение, возникающее при взаимодействии нейтрино со льдом. Когда нейтрино слабо взаимодействуют с веществом, они выделяют вторичные частицы – мюоны, которые движутся в толще льда и вызывают слабое световое излучение. Оно фиксируется детекторами, которые позволяют определить направление движения и массу нейтрино.
Основная идея использования льда в качестве чувствительного элемента Ice Cube – фильтрация нейтрино в структурах льда. Только нейтрино могут проходить сквозь Землю, даже не замечая тысячи километров вещества, не взаимодействуя с ним. Поэтому Ice Cube ориентирован на регистрацию нейтрино, идущих из нижних полусфер неба. То есть как бы из-за Земли, пройдя всю ее толщу.
Обсерватория запущена в строй в 2011-м, эксперимент начался в 2006 году, строительство продолжалось поэтапно, а последний комплект детекторов был установлен в 2010 году.
Ice Cube помогает ученым изучать нейтрино высоких энергий, приходящих из космических источников. Таким образом появляется возможность понять процессы во Вселенной, в том числе связанные с дальними квазарами и астрофизическими объектами. Это важный шаг в фундаментальной физике нейтронной астрономии.
Фактически Ice Cube – это гигантский нейтринный телескоп, использующий природный лед в качестве детектора окружающей среды для изучения редких и трудновыявляемых частиц нейтрино.
Те нейтрино рождаются в недрах активных галактических ядер (AGN – Active Galactic Nuclei) и в процессах, природа которых пока не ясна. Некоторые ученые полагают, что летящие к нам из глубин космоса нейтрино сходны с аксионами, или неуловимыми частицами темной материи. Предположение о ее существовании было выдвинуто вскоре после открытия американским астрономом Эдвином Хабблом так называемого красного смещения, вызываемого «улетом» отдаляющихся от нас галактик.
Сегодня орбитальные телескопы позволяют наблюдать галактики, находящиеся практически у пределов Вселенной, оказавшихся там через 14 млрд лет разбегания после Большого взрыва (Big Bang). В неуловимое мгновение после BB произошла инфляция, или чрезвычайно быстрое, экспоненциальное расширение-экспансия того, что возникло после Big Bang.
Уже достаточно давно было выдвинуто предположение о возможной природе этого расширения-экспансии. Возможно, мы наблюдаем лишь небольшую часть материи во Вселенной. А вот за «расталкивание» галактик отвечают темные материя и энергия, природу которых физики пытаются определить. В частности, специалисты Калифорнийского университета в г. Санта-Крус привлекли для ее объяснения так называемую теорию QCD. Она хорошо объясняет, как с помощью сильного взаимодействия кварки дают протоны и нейтроны. Развивая эту теорию, калифорнийцы выдвинули свой вариант – QFT, или квантовую теорию поля. Авторы двух недавних статей в издании Physical Review D полагают, что она хорошо объясняет результаты многочисленных наблюдений.
