Наука часто соглашается с дерзкими предложениями

Нейтрино — одни из самых неуловимых частиц природы. Сто триллионов нейтрино пролетают через ваше тело каждую секунду, но у каждого из них есть лишь крошечный шанс столкнуться с одним из ваших атомов — следствие невероятной слабости слабых ядерных сил, которые управляют взаимодействием с нейтрино. Этот ничтожный шанс означает, что для надёжного обнаружения нейтрино требуется гораздо больше атомов, чем есть в вашем теле. Чтобы обнаружить нейтрино, сталкивающиеся с атомами в атмосфере, экспериментаторы залили в подземный резервуар 1000 тонн тяжёлой воды, установили камеры в кубический километр антарктического льда и планируют установить 200 000 антенн.

В этой области, полной амбициозных планов, особенно странным выглядит недавнее предложение Стивена Прохиры, доцента Канзасского университета. Прохира предлагает не использовать антенны, а обнаружить признаки атмосферных нейтрино, подключив к датчикам целый лес деревьев. Его предложение может оказаться невыполнимым, или же может стать важным прорывом. Чтобы понять, что в итоге получится, ему придётся пройти долгий путь, дорабатывая прототипы и демонстрируя достоинства своей идеи.

Цель Прохира — обнаружить так называемые нейтрино сверхвысоких энергий. Каждая из этих крошечных частиц несёт в себе энергию, более чем в пятьдесят миллионов раз превышающую энергию, выделяемую ураном при делении ядер. Их происхождение до конца не изучено, но предполагается, что они образуются в результате самых мощных событий во Вселенной — от коллапса звёзд и пульсаров до взаимодействия материи с массивными чёрными дырами в центрах галактик. Если бы нам удалось придумать надёжный способ обнаруживать эти частицы, мы смогли бы узнать больше об этих экстремальных астрономических событиях.

В других экспериментах, например проекте под названием GRAND, планируется построить антенны для обнаружения этих нейтрино, наблюдая за радиосигналами, возникающими в результате их реакции с нашей атмосферой. Однако поиск мест для установки таких антенн может оказаться непростой задачей. Под влиянием этого эксперимента Прохира раскопал старые исследования армии США, в которых предлагалась альтернатива: вместо антенн использовать деревья. Обмотав проволокой несколько деревьев, армейские исследователи обнаружили, что деревья чувствительны к радиоволнам, которые они надеялись использовать для приёма радиосигналов в джунглях. Прохира утверждает, что этот же трюк может быть полезен для обнаружения нейтрино.

Сумасшествие или наука, имеющая право на жизнь?

Люди каждый день предлагают безумные идеи. Стоит ли доверять этой?

Поначалу вы можете отнестись к этому с некоторым подозрением. Статья Прохира осторожна с научной точки зрения, но чрезвычайно оптимистична в других отношениях. Он описывает предложение как способ помочь сохранить леса Земли и даже предполагает, что «лесной детектор может также послужить стимулом для масштабного восстановления лесов, чтобы вырастить детектор нейтрино для будущих поколений».

Однако Прохира не сумасброд. У него есть опыт исследований по обнаружению нейтрино с помощью радиоволн в более традиционных экспериментах, и несколько лет назад он даже получил грант Макартура для гениев в размере $800 000 на поддержку своей работы.

Вообще, изучение частиц из космоса часто требует смелых предложений, особенно если они используют саму природу. Профессор Альбрехт Карле работает над экспериментом IceCube, состоящим из множества камер, которые регистрируют нейтрино, проносящиеся сквозь кубический километр антарктического льда.

«В физике астрочастиц, где мы часто не можем построить весь эксперимент в лаборатории, нам приходится прибегать к помощи природы, чтобы обеспечить условия, которые можно использовать для создания детектора. Например, во многих разделах физики астрочастиц мы используем в качестве среды атмосферу, или океан, или лёд, или уходим глубоко под землю, потому что нам нужен естественный экран, так как мы не можем построить искусственный. Есть даже идеи отправиться в космос за чрезвычайно энергичными нейтрино, чтобы построить детекторы на спутнике Юпитера — Европе».

Такое использование природы — обычное дело в этой области. Индийский эксперимент GRAPES был разработан для измерения мюонов, но для этого необходимо отфильтровать всё, что не является мюоном. Как объяснил профессор Сунил Гупта из Института Тата, лучше всего для этого подходит грязь с близлежащего холма.

«Единственный известный нам способ заставить мюонный детектор работать — это отфильтровать другое излучение [...] Поэтому мы решили построить здание и насыпать на него три метра грунта, чтобы этот грунт служил фильтром», — сказал он.

Долгий путь к эксперименту

Хотя идея Прохиры не является нелепой, это всё ещё только идея (и одна из многих). Статья Прохиры, описывающая эту идею, была загружена на сайт препринтов arXiv.org в январе. Физики используют такие сайты, чтобы предоставить доступ к своим работам до того, как они будут отправлены в научный журнал. Это даёт другим физикам время прокомментировать работу и предложить свои изменения. Тем временем журнал рассылает работу нескольким избранным рецензентам, которым предлагается оценить, насколько правильна статья и представляет ли она достаточный интерес для сообщества.

На этом этапе рецензенты могут найти проблемы в идее Прохира. Это могут быть фактические ошибки, например, если он ошибся в своих оценках чувствительности детектора. Но рецензенты также могут попросить уточнить детали. Например, они могут попросить провести более подробный анализ возможных ошибок в измерениях, вызванных различными формами и размерами деревьев.

Если идея Прохира дойдёт до публикации, то следующим шагом на пути к созданию реального детектора на основе леса станет убеждение в этом широкой общественности. Такая работа часто проводится на конференциях. Международная конференция по космическим лучам — крупнейшая сцена для сообщества астрочастиц, конференции проводятся каждые два года, следующая запланирована на 2025 год в Женеве. Другие, более специализированные конференции, например ARENA, посвящены попыткам обнаружить радиоволны от высокоэнергетических нейтрино. Эти конференции дают возможность привлечь к работе других учёных и создать команду.

Наличие команды будет иметь решающее значение для следующего шага: тестирования прототипов. Как бы хорошо ни звучала идея в теории, некоторые проблемы могут возникнуть только в ходе реального эксперимента.

Ранняя версия эксперимента GRAPES обнаруживала мюоны по свету, который они излучают, проходя через резервуары с водой. Чтобы определить, сколько воды для этого необходимо, исследователи проводили опыты, помещая детектор на верхнюю часть бака и на нижнюю и отслеживая, как часто срабатывают оба детектора при разной высоте воды в зависимости от мюонов, случайно проходящих через неё из атмосферы. После того как выяснилось, что резервуары с водой должны быть слишком высокими, чтобы поместиться в подземном помещении, пришлось искать химикаты, изменяющие длину волны, которые позволили бы использовать более короткие резервуары, а также новые способы растворения этих химикатов без разрушения алюминиевых стенок резервуара.

«Когда вы пытаетесь что-то сделать, вы сталкиваетесь со всевозможными занятными проблемами», — говорит Гупта.

У эксперимента IceCube есть долгая история прототипов, восходящих к ранним концепциям, которые лишь отдалённо связаны с окончательным проектом. Самые ранние из них, например, проект DUMAND на Гавайях, планировали поместить детекторы в океан, а не в лёд. BDUNT был промежуточным этапом, проектом, который использовал глубины озера Байкал для обнаружения атмосферных нейтрино. Хотя детекторы размещали в жидкой воде, возможность ездить по замёрзшей поверхности озера облегчила строительство BDUNT.

На конференции 1988 года Роберт Марч, Фрэнсис Халзен и Джон Г. Учиха представили своего рода «твердотельный DUMAND», который будет использовать лёд вместо воды для обнаружения нейтрино. Хотя идея была привлекательной, исследователи предупредили, что для её реализации потребуется изрядная доля везения. «В общем, это детектор, который требует ряда счастливых случайностей, чтобы сделать его осуществимым. Но если они реализуются, он может обеспечить наименее затратный путь к действительно большому нейтринному телескопу», — говорят они.

Что касается эксперимента AMANDA, ранние испытания в Гренландии и более поздние испытания на Южном полюсе начали обеспечивать эти счастливые случайности. «Было обнаружено, что лёд исключительно чист, даже чище, чем предполагалось, и не имеет радиоактивности — он абсолютно тихий, так что это самое тёмное, тихое и чистое место на Земле», — говорит Карле.

AMANDA была гораздо меньше, чем эксперимент IceCube, и теоретики уже утверждали, что для того, чтобы увидеть космические нейтрино, эксперимент должен покрыть кубический километр льда. Тем не менее, первоначальный эксперимент AMANDA был не просто прототипом; если нейтрино будут поступать с достаточной скоростью, он сможет их обнаружить. В этом смысле он похож на оригинальный эксперимент LIGO, который работал в течение многих лет в начале 2000-х годов с минимальными шансами на обнаружение гравитационных волн, но предоставил информацию, необходимую для проведения модернизации в 2010-х годах, которая привела к повторным обнаружениям. Аналогичным образом первопроходцы, такие как Хальзен, надеялись, что AMANDA сможет обнаружить космические нейтрино, несмотря на свой статус прототипа.

«Существовал шанс, что с тогдашними знаниями может повезти. В любом случае, он пытался, — говорит Карле.

Прототипные эксперименты часто проходят по такой схеме. Их проводят в надежде, что они смогут открыть что-то новое о Вселенной, а ещё для того, чтобы по крайней мере обнаружить неожиданные проблемы, которые могли бы помешать более крупному эксперименту.

Крупные объекты и Национальный научный фонд

Если эксперимент не требует огромного финансирования, его прототип может дать реальные результаты, и тогда учёные наращивают свои амбиции поэтапно. Но для самых масштабных экспериментов правительства, которые предоставляют финансирование, как правило, хотят иметь более чёткий план.

Поскольку компания Prohira базируется в США, давайте рассмотрим американское правительство. У Национального научного фонда США (NSF) есть процедура для своих крупнейших проектов, которая называется «Программа строительства крупного исследовательского оборудования и объектов». С 2009 года в ней действует политика «никакого превышения затрат». Раньше, если проект обходился дороже, чем предполагалось, NSF мог попытаться найти дополнительное финансирование. Теперь проекты должны заранее оценивать возможное увеличение стоимости и закладывать в бюджет дополнительные средства на покрытие рисков. Если бюджет всё равно окажется слишком высоким, проекты должны компенсировать это за счёт сокращения масштабов, уменьшения объёма эксперимента до тех пор, пока он снова не уложится в рамки расходов.

Чтобы убедиться, что они действительно могут это сделать, NSF проводит тщательную проверку.

Во-первых, NSF ожидает, что учёные, предлагающие проект, выполнили свою домашнюю работу и уже потратили время и деньги на создание прототипа эксперимента. Обычно предполагается, что около 20 процентов от общего бюджета эксперимента должно быть потрачено на тестирование идеи ещё до того, как NSF приступит к её рассмотрению.

Протестировав прототипы и собрав команду, учёные собираются вместе, чтобы согласовать план. Часто это означает написание отчёта, в котором они излагают свои мысли. Команда IceCube находится в процессе подготовки предложения о втором поколении своего эксперимента — расширении, которое позволит покрыть детекторами больше льда и достичь новых научных целей. Недавно команда закончила третью часть отчёта о техническом дизайне, в которой подробно описывается техническое обоснование эксперимента.

После этого эксперименты переходят в официальный процесс разработки эксперимента NSF. Этот процесс состоит из трёх фаз: концептуальный дизайн, предварительный дизайн и окончательный дизайн. Каждая фаза заканчивается обзорным документом, в котором кратко описывается текущее состояние планов по мере их проработки, начиная с общего научного обоснования и заканчивая конкретным планом по проведению эксперимента в определённом месте. Риски оцениваются детально, составляется список оценок вероятности рисков и их стоимости — этот процесс иногда включает компьютерное моделирование. К концу процесса проект имеет полностью детализированный план, и можно приступать к строительству.

В течение следующих нескольких лет Прохира будет тестировать своё предложение. Возможно, ему повезёт, как исследователям, копавшимся в антарктическом льду, и он обнаружит удивительно чёткий сигнал. Возможно, ему не повезёт, и он обнаружит, что сложная структура деревьев, с различными расстояниями между ними и разбросом листьев, делает генерируемые ими сигналы непригодными для нейтринной науки. Он, да и мы, не можем знать заранее, что произойдёт.

В конце концов, для этого и существует наука.