Гран-Сассо, зал С Чудесное превращение

Автомобильная трасса А24, ведущая в сторону Рима, за 30 километров до Л’Акуилы ныряет в десятикилометровый туннель под горным массивом Гран-Сассо. Внутри горы через 3,5 километра — съезд в сторону, перегороженный шлагбаумом и пятиметровыми металлическими воротами. За ними — коридор с влажными шероховатыми стенами, ведущий в разветвленную систему подземных залов и галерей.
При строительстве шоссе инженеры проложили несколько дополнительных шахт в скальной толще. Они разрослись в крупнейшую в мире подземную лабораторию. Теперь здесь генеральный штаб охотников за нейтрино. На электронном табло под потолком коридора горят красные буквы INFN. За этой аббревиатурой скрывается Национальный институт ядерной физики, в состав которого входит лаборатория Гран-Сассо.

Детектор «Борексино» в зале С похож на огромный термос Без малого 18 метров в высоту, почти 19 — в ширину. Чтобы осмотреть со всех сторон этот стальной бак в коконе из серебристого изолирующего материала, нужно протискиваться, прижимаясь к скальной стене.

«Борексино» сконструирован по принципу луковицы. Внутри гигантского резервуара, наполненного водой, подвешен стальной шар диаметром 14 метров. Внутри самого шара — примерно 1300 тонн так называемой сцинтиллирующей жидкости, органической субстанции, которая испускает слабые вспышки света при столкновении проходящих через нее нейтрино с электронами атомов. За происходящим следят 2212 фотоэлектронных умножителей. Они улавливают вспышки и преобразуют их в электрические сигналы.
Детектор предназначен прежде всего для регистрации солнечных нейтрино. Они образуются на Солнце в несметном количестве в процессе ядерного синтеза. Примерно 60 миллиардов таких частиц каждую секунду пронизывают пространство размером с ноготь большого пальца. Луна, заслоняющая нашу планету от Солнца в темное время суток, для них не помеха. Они проходят сквозь нее беспрепятственно, как солнечный луч через стекло.

Благодаря «Борексино» и другим экспериментам ученые установили, что нейтрино обладают удивительным свойством — они могут видоизменяться прямо в полете. Существует как минимум три типа этих частиц: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Причем они с легкостью переходят из одной ипостаси в другую. И отличить их можно только по массе.

Идея изменчивости нейтрино впервые возникла у итальянского физика Бруно Понтекорво в 1957 году. Тогда это была чистая теория. Ученые только-только доказали, что нейтрино вообще существуют. Об экспериментальном подтверждении нечего было и думать.

Когда в 1960-е впервые удалось массово зарегистрировать солнечные нейтрино, исследователи обнаружили в своем «улове» лишь треть расчетного числа частиц. Куда делись остальные?

Ответить на этот вопрос удалось только в двухтысячные. По пути к Земле электронные нейтрино, рожденные в раскаленном сердце Солнца, превращаются в мюонные и тау-нейтрино. Детекторы, которые используют для регистрации этих загадочных частиц, поначалу улавливали только электронные нейтрино, пропуская остальные. Отсюда и «недостача». Детекторы следующего поколения помогли обнаружить и два других типа частиц, исходящих от Солнца.

Раз нейтрино могут переходить из одного состояния в другое, значит у них должна быть масса. Какой сюрприз для ученых! Долгое время считалось аксиомой, что эти элементарные частицы вообще невесомы. Все остальное противоречило Стандартной модели физики. А ее выстраивали десятки лет по кирпичику, как большое здание, вместившее в себя объяснение всех явлений материального мира. Но нейтрино существуют в другом, странном мире квантов, где царят свои законы. Там превращение одной частицы в другую — обычное дело.

По большому счету нейтрино — это всегда «смесь» электронного, мюонного и тау-нейтрино. В квантовой физике такое явление называют «суперпозицией» — наложением взаимоисключающих состояний. В случае нейтрино эти состояния постоянно сменяют друг друга. Частица стартует на Солнце в форме электронного нейтрино. Но на Землю может прибыть уже в виде мюонного. Ситуацию усложняет еще и то, что превращение не запрограммировано, а лишь возможно.

С помощью детектора «Борексино», который умеет точно подсчитывать солнечные нейтрино, ученые подобрали ключ к загадке изменчивости эфемерных частиц.

Теперь перед ними уже следующая цель. «Есть признаки существования еще одной, четвертой разновидности нейтрино, которая возникает на краткий миг, когда новорожденная частица преодолевает свои первые десять-сто метров», — говорит Манфред Линднер из Гейдельбергского института ядерной физики Общества Макса Планка.

В этом состоянии нейтрино называют «стерильными». Потому что они почти не вступают во взаимодействие с другим веществом. Если существование такой разновидности нейтрино подтвердится, это станет научной сенсацией. Неудивительно, что ученые охотятся за ними по всему миру. В Гран-Сассо для выявления абсолютно «неконтактной» частицы собираются использовать особый материал.

В проекте принимают участие и российские ядерщики. Они извлекли из выработавших ресурс топливных стержней для ядерного реактора высокорадиоактивный изотоп элемента церия. Этот редкоземельный металл образуется при распаде ядра урана. Исследователи планируют разместить 30 граммов церия в узком туннеле прямо под резервуаром «Борексино». Период полураспада церия точно известен. По нему можно вычислить, сколько электронных антинейтрино излучает радиоактивный образец. «Борексино» проведет подсчет и определит, произошел ли на первых метрах полета переход частиц в загадочное четвертое состояние. Для эксперимента уже все готово. Осталось лишь доставить в Италию церий с Южного Урала.