Подивись на дорогу і скажи мені, чи бачиш ти там кого-небудь. — Нікого, — повідомила Аліса. — От би мені такі очі! — заздрісно зауважив Король. — Ти здатна побачити Нікого! Та ще й на такій відстані! Я ледве спроможний справжніх людей при такому світлі розгледіти!
Льюїс Керрол, «Аліса в Задзеркаллі»
…коли Він ще не створив ні землі, ні полів, і навіть початкових пилинок Усесвіту.
Притчі Соломона
Нейтрино — початкові пилинки Всесвіту?
Як утворився наш Всесвіт, з чого він складається, які принципи лежать у його основі? Ці питання стоять першими у списку найважливіших для сучасної науки. Як не дивно, але шлях до розуміння нескінченно великого Всесвіту пролягає через дослідження нескінченно малого світу елементарних частинок. І схоже, що саме в дослідженнях нейтрино — найменшої з частинок — сподіваються відкрити щось по-справжньому нове, визначити напрям побудови нової теорії елементарних частинок і взаємодій.
«Придумав» нейтрино у 1930 році австрійський фізик Вольфганг Паулі, щоб «урятувати» два важливих закони природи — збереження енергії і моменту імпульсу. «Я зробив сьогодні жахливу річ, якої ніколи не слід робити фізику-теоретику: я запропонував щось, чого ніколи не можна буде перевірити експериментально», — сказав Паулі своєму колезі німецькому астрофізику Вальтеру Бааде. Сумніви Паулі можна зрозуміти, адже вчені страшенно не люблять порушувати принцип, відомий як «Бритва Оккама»: ніколи не придумуй для пояснення явищ природи нічого, що не є вкрай необхідним. Пестливе ім’я загадковій частинці («нейтрино» італійською означає «нейтрончик») дав італієць Енріко Фермі, який невдовзі побудував теорію взаємодії з її участю. І лише у 1956 році американські вчені Фредерік Райнес і Клайд Коуен зареєстрували нейтрино від ядерного реактора. Вони написали про це Паулі, який відповів телеграмою: «Дякую за повідомлення. Усе приходить до того, хто знає, як чекати».
Вченим доводиться довго працювати і вміти чекати. І тому трохи кумедно звучать новини «вчені щось там відкрили». Начебто для того, аби зробити відкриття, треба всього-на-всього кудись подивитися, ляснути себе по лобі, й ось воно — відкриття! А насправді знадобиться тривала й тяжка праця багатьох людей, розробка і спорудження складної апаратури, пошуки, сумніви, спроби та помилки…
Так і з нейтрино. Вченим довелося докласти чимало зусиль, аби «зловити» нейтрино від прискорювача, від Сонця, з глибин космосу і навіть від вибуху наднової зорі! І щоб нарешті зрозуміти: нейтрино змінюється під час свого руху. Народившись у глибинах Сонця частинкою одного типу (електронне нейтрино), воно досягає Землі частинками трьох типів: крім електронного, з’являється мюонне і тау-лептонне. Ці назви пов’язані з добре відомим електроном та його «старшими братами»: мюоном і тау-лептоном (дві останні частинки відрізняються від електрона лише більшою масою та тим, що швидко розпадаються на електрон і відповідне нейтрино). І ось ця мінливість (її називають осциляція) свідчить про те, що нейтрино має масу. За це відкриття японський фізик Такаакі Кадзіта і канадець Артур Макдональд отримали у 2015 році Нобелівську премію. Але масивні нейтрино зовсім не вписуються в так звану Стандартну модель елементарних частинок (її розробляли майже сто років!), у якій маса нейтрино дорівнює нулю.
Отож у нейтрино є маса. Проте її величина залишається невідомою. Крім того, ми не знаємо, чи є воно таким, як припустив британський фізик Поль Дірак (частинка відрізняється від своєї античастинки), чи воно є частинкою, запропонованою італійцем Етторе Майораною (частинка і її античастинка нічим не відрізняються). Постать Майорани (як і властивості нейтрино, яким він займався) є однією з найбільш загадкових в історії науки. Він народився 1906 року в знатній сицилійській сім’ї, з дитинства виявив неабиякий талант до математики. Ніколи не прагнув визнання своїх наукових праць, за все своє коротке життя опублікував усього дев'ять наукових статей. «Є генії, такі як Галілео Галілей або Ісаак Ньютон. Майорана був одним із них» — писав Енріко Фермі. Увечері 25 березня 1938 року Майорана придбав квиток на пароплав із Палермо до Неаполя, але там він так і не з'явився. Незважаючи на ретельні пошуки (які не закінчилися досі), жодної достовірної інформації про нього не було виявлено… Якщо нейтрино — таке, як передбачав Етторе Майорана, то має існувати надзвичайно рідкісне радіоактивне перетворення атомних ядер: безнейтринний подвійний бета-розпад.
І ось саме на пошук такого розпаду націлений міжнародний експеримент CUPID-Mo, в якому беруть участь вчені Інституту ядерних досліджень Національної академії наук України.
Міжнародний експеримент CUPID-Mo
Дослідження подвійного бета-розпаду здатні відповісти зразу на кілька дуже важливих питань: Яка маса і схема масових станів нейтрино? Чи виконується закон збереження так званого лептонного числа (йдеться, фактично, про можливість виникнення або зникнення електронів)? І головне: спостереження цього розпаду свідчитиме, що нейтрино є саме такою частинкою, якою її передбачив Майорана.
Фактично, це буде відкриттям нового типу матерії, коли елементарна частинка є одночасно своєю античастинкою. До того ж нейтрино Майорани здатне пояснити одну з ключових проблем космології: чому на початку утворення Всесвіту кількість матерії перевищувала кількість антиматерії? Якби не ота мізерна різниця (матерії мало бути більше всього на одну мільярдну частину), Всесвіт був би порожнім, у ньому було б лише електромагнітне випромінювання (радіохвилі, рентгенівські і гамма-промені). Саме з отієї крихітної частки матерії, яка залишилася після анігіляції (взаємного знищення) матерії й антиматерії, і складається зараз увесь видимий Всесвіт.
Експеримент CUPID-Mo проводиться на глибині більше двох кілометрів у підземній лабораторії Модан. Лабораторія розміщена в тунелі між Францією та Італією, під потужним гірським масивом для захисту надчутливої апаратури від космічних променів. Процес безнейтринного подвійного бета-розпаду вчені сподіваються зареєструвати з допомогою двадцяти охолоджених до температури всього на кілька сотих градуса вище абсолютного нуля кристалів молібдату літію, збагачених ізотопом молібдену-100 (саме вчені Інституту ядерних досліджень ще у 2010 році запропонували застосувати ці кристали для такого експерименту).
Мал. 1 Кристали молібдату літію зі збагаченого ізотопу молібдену-100, змонтовані у тримачах із надчистої міді
Мал.2 Монтаж кристалів виконала Анастасія Золотарьова. Захистивши магістерський диплом в ІЯД НАН України, Анастасія захистила дисертацію у Франції і тепер отримала позицію дослідника у постдокторантурі Лабораторії фізики двох нескінченностей імені Ірен Жоліо-Кюрі Національного центру наукових досліджень Франції
Мал. 3 Працювати Анастасії довелося в умовах надчистої кімнати, аби запобігти потраплянню найменших часточок пилу, що перешкоджало б роботі надчутливої апаратури
Мал.4 Збірки з кристалами молібдату літію, змонтовані у наднизькофоновому кріостаті в підземній лабораторії Модан у Франції. Для нормальної роботи кристали необхідно охолодити до температури близько двох сотих градуса вище абсолютного нуля, оточити товстим шаром захисту і розмістити глибоко під Землею
Мал.5 Монтаж установки в підземній лабораторії Модан здійснює старший науковий співробітник ІЯД НАН України Денис Пода. У грудні 2019 року Денис став інженером-дослідником Лабораторії фізики двох нескінченностей Ірен Жоліо-Кюрі Національного центру наукових досліджень Франції
Після року вимірювань жодної події розпаду не спостережено (а загадкового процесу не спостережено в жодному з численних експериментів: усі вони «бачать лише Нікого»). Але в науці часто факт неспостереження чогось є навіть важливішим за спостереження. Так і в цьому випадку: на основі факту неспостереження розпаду зроблено висновок, що період напіврозпаду ядра молібдену-100 у сто трильйонів разів більший за вік Всесвіту, а нейтрино, щонайменше, в мільйон разів легше від електрона! Експеримент було підготовлено і проведено великою міжнародною колаборацією вчених з двадцяти семи інститутів та університетів Франції, США, України, Росії, Італії, Китаю та Німеччини. Внесок українських науковців, крім власне ідеї застосування кристалів молібдату літію, полягає в аналізі даних, моделюванні відгуку вимірювальної апаратури до різних випромінювань.
Експеримент CUPID-Mo практично завершено, але він є лише проміжним кроком у розробці великомасштабного проєкту CUPID, у якому планується збільшити масу досліджуваного ізотопу майже у сто разів з метою спостереження ефекту у випадку, якщо нейтрино є частинкою Майорани, у кілька десятків мільйонів легшою від електрона.
Навіщо нам наука?»
Читач може запитати: а яка практична користь із усього цього? Ніякої. Ще раз: жодної користі від фундаментальної науки не потрібно очікувати. Тому що це не її завдання. І недарма вчені, які відкрили речі, котрі визначають сучасну цивілізацію (електрика, транспорт, медицина, радіозв’язок, усі оті GPSи з лазерами та інтернетами), були переконані, що жодної практичної користі від їхніх відкриттів очікувати не слід. Наприклад, Генріх Герц (відкрив радіохвилі у 1887 році) вважав, що його відкриття не матимуть застосування: «Це абсолютно марно. Це тільки експеримент, який доводить, що маестро Максвелл мав рацію. Ми всього-на-всього маємо таємничі електромагнітні хвилі, яких не можемо бачити оком, але вони є». — «І що ж далі?» — запитав його один зі студентів. Герц знизав плечима, він був скромною людиною, без особливих претензій і амбіцій: «Я думаю — нічого».
Метою науки є пізнання. Це, коли хочете, завдання Бога людям, це те, що відрізняє людину від тварин. Здатність пізнавати себе, суспільство та його історію, навколишній світ, початкові пилинки Всесвіту…