Ключ до таємниць Всесвіту зберігає нейтрино?

Наша галактика — Чумацький Шлях — загине за 60 мільйонів років до «кінця світу». За три місяці до цієї події втратить цілісність Сонячна система, за півгодини — вибухне Земля, а за лічені секунди — розпадуться і ядра атомів. Утім, нам боятися не слід: усе це відбудеться десь через 22 мільярди років. Принаймні, такий прогноз висловлює працівник Дартмурського коледжу в Ньюгемпширі Роберт Кодвелл, який висунув теорію «Великого розриву». Відповідно до неї пануюча у Всесвіті темна енергія поступово ставатиме дедалі дужчою, і, зрештою, розірве все, що є у світі звичайної матерії.

Зрозуміло, це лише гіпотеза, як, утім, і теорія гравітації Ейнштейна, що пророкує існування свого роду проріх (або «кротячих нір», як їх називають фізики) у просторі й часі. Поки вони виникають і зникають так швидко, що виявити їх неможливо. Та коли темна енергія достатньо «зміцніє» і зможе підтримувати їх протягом тривалого часу, то це відкриє перед людьми геть фантастичні можливості, приміром, подорожі в часі.

Однак сьогодні ніхто не може сказати, яке майбутнє насправді очікує Всесвіт — надто багато ще залишилося нерозгаданих таємниць. Передусім, ідеться про таємничу «темну енергію» та «темну матерію», котрі становлять, як виявилося, близько 95% усієї маси Всесвіту. Тобто ми бачимо тільки 5% реально існуючого в космосі! Тепер перед ученими стоїть запитання: а з чого ж складаються невидимки?

За словами академіка РАН Валерія Рубакова, йтися може про геть нові типи часток і явищ у фізиці мікросвіту, ще не відкриті в земних умовах. А недавно група вчених із університету штату Вашингтон (США) прямо заявили про існування невідомої раніше субатомної частки — акселерона. За їхньою гіпотезою, саме під час взаємодії акселерона зі ще однією, хоч і давно відомою, але від цього не менш загадковою часткою — нейтрино — відбувається розширення Всесвіту й утворення темної енергії.

Відповідно до цієї гіпотези, на нейтрино впливає певна нова сила, яка виникає під час його взаємодії з акселеронами. Коли ж ця сила намагається відштовхнути нейтрино одне від одного, створюючи напруження, подібно до того, що з’являється в розтягнутій гумовій стрічці, і народжується темна енергія. Але щоб переконатися в цьому, потрібно як слід вивчити саме нейтрино, можливості його взаємодії з іншими частками, а це поки досить складно.

Річ у тім, що у нього дуже незначна маса (точно її ще ніхто не встановив і тільки припускається, що вона не більше однієї мільйонної маси електрона) і відсутній заряд, тому воно дуже слабо взаємодіє з предметами, крізь які проходить. Народжуючись у результаті термоядерних реакцій у зірках, нейтрино, немов невидимі чарівники, здатні проникати крізь будь-які перешкоди, зокрема й людей, практично не залишаючи жодних слідів! Взаємодії з новоявленими акселеронами, твердять американські фізики, ще слабші — саме тому ці частки не вдалося досі виявити навіть найскладнішими приладами. Але це «спілкування» реально існує, і його можна буде розпізнати в ході експериментів із нейтрино, що їх проводять у всьому світі.

Дослідження, справді, масштабні. Скажімо, у Росії тільки на перший етап міжнародного мегапроекту «Нейтрино і нейтринна космофізика», розрахованого до 2020 року, планується виділити майже 4,5 млрд. рублів. Кожна економічно розвинена країна (чи, принаймні, така що претендує на це звання) має власні підземні лабораторії, які займаються дослідженнями в галузі нейтринної фізики та нейтринної астрономії. У Європі діють чотири великі лабораторії і кілька невеликих, свої лабораторії є в Японії, Росії (Баксанська нейтринна обсерваторія на Кавказі), у США (нині там планують спорудження великої національної лабораторії, яка стане найбільшою у світі), Канаді, Австралії, Кореї, починають будувати китайці й індуси. Подібні роботи от уже 30 років проводять й в Україні — в Інституті ядерних досліджень НАНУ, причому на досить високому науковому рівні, а набуті результати могли б стати гордістю фізиків будь-якої країни світу.

Опановувати таємниці світобудови доводиться в досить екстремальних умовах: лабораторія захована глибоко під землею — на 430-метровій глибині в соляній шахті досить мальовничого закарпатського селища Солотвино. Тому вчені, дістаючись до роботи, зовні нічим не різняться від шахтарів: той же спецодяг із касками та ліхтариками, а в ролі транспортного засобу — звичайна залізна кліть, яка доставляє фізиків до величезної соляної камери, де й розташоване все обладнання. Навіщо знадобилося забиратися на таку глибину, розповів завідувач відділу фізики лептонів Інституту ядерних досліджень НАНУ Федір ДАНЕВИЧ:

— В астрофізиці часток і, власне, в розумінні структури й еволюції Всесвіту ключову роль відіграють нейтрино. Ці частки мають дивовижну властивість: вони практично не взаємодіють із речовиною. З багатьох мільярдів нейтрино, які щосекунди проходять крізь наше тіло, лише одна, може, раз на місяць із ним якось взаємодіє. Зрозуміло, щоб вивчати такі частки, фіксувати настільки слабкі й рідкісні взаємодії, потрібні дуже складні детектори, захищені від радіаційного фону, присутнього завжди і скрізь. Фон, як відомо, формують радіоактивні розпади, космічні промені, радіонаводки, і якщо поставити детектор на поверхні землі, то цей фон буде таким великим, що вкрай рідкісні випадки взаємодій нейтрино просто «потонуть» у морі сторонніх сигналів. Тут, під землею, за рахунок того, що переважна частина космічних променів поглинається товщею породи, а сама сіль містить дуже мало природних радіоактивних речовин, таких як уран чи торій, радіоактивний фон разів у 30—50 нижчий, ніж, скажімо, у звичайній лабораторії в Києві.

Ідея створення лабораторії належала колишньому керівнику відділу професору Юрію Здесенку. Ще зовсім молодим і нікому не відомим він познайомився з главою нейтринної ради АН СРСР академіком Бруно Понтекорво, котрий підтримав ідею молодого вченого (тоді ще навіть не кандидата наук!) побудувати в соляній шахті в Закарпатті підземну лабораторію. Спочатку планувалося, що в ній розроблятимуть апаратуру для різних військових проектів. Але не секрет, що радянські вчені часто під виглядом розробок зброї займалися цікавою, але досить далекою від оборони чи нападу, фундаментальною наукою.

…Пройшовши довгими та звивистими коридорами шахти, ми заходимо до величезної соляної камери, стіни якої суцільно розписані вигадливими візерунками — шари пилу, що осідав десятки мільйонів років тому на дно древнього моря, із якого потім і утворилося Солотвинське родовище солі. Температура тут цілий рік як на Канарських островах — +24 градуси за Цельсієм. Власне, на цьому вся екзотика й закінчується: на столах звичайні комп’ютери, осцилографи, електронні блоки реєструючої апаратури, всюди лампи (адже вікон немає) і пилозахисні бокси з інструментами. Трохи подалі — невеличкий свинцевий «будиночок», облицьований поліетиленовими цеглинами. Це й є установка для дослідження властивостей нейтрино.

Взагалі, чутливий до властивостей загадкової частки прилад досить маленький. У центрі — невеличкі (масою близько 300 грамів) кристали вольфрамату кадмію, вирощені в харківському Інституті сцинтиляційних матеріалів НАН України з ізотопно збагаченого кадмію, виробленого ще в СРСР. Це дуже дорогий матеріал, (орієнтовно один грам коштує близько сотні доларів). Далі ці кристали оточують іншими — уже з природного кадмію. Коли кристал поглинає частки, які потрапляють у нього, то починає світитися. Через світловод це світло потрапляє на фотопомножувач, який і реєструє енергію часток. Решта — шар надчистої міді, свинцю, поліетилену — додатковий захист від усюдисущої радіації.

— От із допомогою такого детектора нам удалося виявити двонейтринну моду подвійного бета-розпаду, — пояснює Федір Анатолійович. — Цей процес навіть ввійшов до Книги рекордів Гіннесса як найбільш рідкісний із будь-коли зареєстрованих людством. Період піврозпаду цього ядра в мільярди разів більший за періоди піврозпаду природних радіоактивних елементів, приміром, урану чи торію. Сьогодні ведуться роботи з вивчення цього процесу: поки що подвійний бета-розпад зареєстровано лише для десяти ізотопів.

Експерименти, які ми проводимо в Солотвино, нині вважають найважливішими для розуміння властивостей нейтрино. Їхні результати дозволять дати відповіді на низку ключових питань фізики елементарних часток і астрофізики, зокрема — яка природа нейтрино, яка його маса, чи зберігається лептонний заряд? Вони важливі і для розвитку теорій фундаментальних взаємодій елементарних часток, а також космології й астрофізики, наприклад, для розуміння процесів нуклеосинтезу та виникнення зірок, визначення віку й еволюції Всесвіту.

Схоже на те, що саме нейтрино може відповісти на запитання, чому, власне, існує наш світ. Чому, як уже з’ясували, у момент народження Всесвіту кількість матерії була на одну мільярдну більше від антиматерії? Певне, саме властивості нейтрино й викликали це маленьке порушення рівноваги, завдяки чому з’явився Всесвіт, Земля і всі ми.

— За великим рахунком, окрім того, що нейтрино існує, нічого більш певного вчені сказати не можуть? Навіть «зважити» його до ладу не вдається?

— Дещо ми про «невидимку» все ж знаємо. Приміром, те, що у нього є маса. Сьогодні дітей у школах вчать: маса нейтрино дорівнює нулю — як у фотона. Однак зовсім недавно вчені виявили, що маса у нейтрино все ж таки є. Це підтверджується тим фактом, що нейтрино осцилює — перетворюється з одного виду в інший. Такі перетворення просто неможливі з частками без маси.

Звісно, нам не вдалося побачити той вид подвійного бета-розпаду, який безпосередньо пов’язаний із масою нейтрино — сьогодні його ніхто ще не бачить. Але і з цього факту можна зробити певні висновки про його властивості. Іноді не зовсім зрозуміло: як, нічого не виявивши, можна дістати результати. Але часто трапляється, що не бачити якийсь процес чи об’єкт набагато важливіше, ніж виявляти. Згадайте досвід Майкельсона—Морлі: вони теж не побачили ефір, але з експерименту було зроблено висновки, побудовано теорію відносності Ейнштейна. (Тут можна згадати й експеримент Галілея, котрий кидав ядра та кулі з Пізанської вежі: він не виявив залежності часу падіння від маси тіла, що суперечило тодішнім теоретичним уявленням, які йшли ще від Аристотеля. Можна сказати, що вся експериментальна фізика почалася з негативного результату!) У нашому разі справа, певно, має такий вигляд, що маса нейтрино ще менша, й аби її побачити, потрібно збільшити розмір детектора, зробити його ще більш захищеним від зовнішнього і внутрішнього фону, ще довше проводити виміри.

— Результати найвищого світового рівня були набуті в дуже важкі для української науки роки. Як це пояснити?

— Передусім, напруженою роботою нашого колективу. Бувало, ми працювали з останніх сил, у добре знайомих усім українським ученим умовах постійних невиплат зарплат і відсутності грошей на найелементарніше. Але дуже важливо, що ми завжди зустрічали розуміння й мали підтримку з боку як нашого інституту, очолюваного академіком НАНУ Іваном Вишневським, так і Національної академії наук. Нам виділили кошти для ремонту та модернізації Солотвинської підземної лабораторії. Важливість і перспективність наших робіт швидко оцінив Іван Неклюдов, академік-секретар недавно створеного Відділення ядерної фізики й енергетики НАНУ. Недавно в академії зроблено ще один важливий крок: за ініціативою директора Головної астрономічної обсерваторії НАНУ, академіка НАНУ Я.Яцківа запропонована науково-технічна програма «Космомікрофізика», що включає в себе дослідження нейтрино і темної матерії Всесвіту, частина з яких проводитиметься в Солотвино. Крім того, на початку 1990-х з’явилася можливість співробітничати з нашими іноземними колегами. Адже немає науки української, американської чи індонезійської, фундаментальна наука — явище загальнолюдське. Сьогодні навіть багаті країни не можуть собі дозволити робити щось поодинці. Ми відразу скористалися свободою, але не для того, щоб поїхати «туди» назавжди, а щоб залучити їхні ресурси для ефективної спільної роботи. Наприкінці 1990-х років, ми не тільки (як і багато наших колег) працювали десь на чужих установках, а й тут, у Солотвино, проводили експерименти, в яких брали участь фізики з Флорентійського університету. Ми й тепер співробітничаємо з ученими Італії, Франції, Великобританії, Росії, Кореї, Канади, Німеччини, Іспанії, США і навіть далекої Австралії (добре, електронна пошта дозволяє спілкуватися, навіть не знаючи багатьох співавторів в обличчя).

— Які дослідження ви проводите тут, окрім пошуків подвійного бета-розпаду?

— Загалом, те, що ми робимо — називається в англомовній літературі «Astroparticle Science». За великим рахунком, це спроби зрозуміти еволюцію і будову Всесвіту, вивчаючи такі властивості елементарних часток, які людство ніколи не зможе дослідити навіть на найпотужніших прискорювачах. Це пошуки вкрай рідкісних, слабких і навіть заборонених у рамках сучасних теорій, явищ. 2005 року ми почали розробку високочутливих детекторів для пошуку часток тієї самої загадкової темної матерії Всесвіту. Ці роботи ведуться разом із Оксфордським університетом (Великобританія) і Центром дослідження темної матерії Сеульського національного університету (Республіка Корея). У ході наших експериментів іноді можна побачити дещо, хоч і не дуже нове, але раніше «непомічене». Наприклад, ми вперше виявили альфа-активність природних європію та вольфраму. В останньому разі йдеться про найнижчу питому альфа-активність, яку досі виявляло людство — своєрідний рекорд, поставлений у співдружності з колегами з Флорентійського університету. Крім цього, ми шукаємо гіпотетичні процеси, яких начебто й не повинно бути. Приміром, незбереження електричного заряду, воно може відбуватися, коли (як припускають деякі сучасні теорії) наш простір не чотиримірний, а нескіченномірний, і електрон просто «провалюється» в ті виміри, яких ми не бачимо. Взагалі, у фізиків є стале відчуття, що існуюча сьогодні теорія елементарних часток дуже приблизна. Словом, більшість відкриттів — попереду.

P.S. Нинішнього року серію робіт учених відділу фізики лептонів ІЯД НАН України Ф.Даневича, В.Третяка і В.Кобичева — «Експериментальні дослідження рідкісних процесів у фізиці атомного ядра й елементарних часток» висунуто на здобуття престижної премії ім. К.Синельникова, присуджуваної Національною академією наук України за видатні роботи у галузі ядерної фізики.