Нейтринный детектор Супер-Камиоканде

Учёный-экспериментатор – профессия часто неблагодарная. Вы читаете новости про эксперименты, закончившиеся великими открытиями, но мало кто слышал о попытках, часто героических, экспериментаторов, которым ещё только предстоит обнаружить или пронаблюдать то, для чего они делались.

Некоторые из попыток тянутся уже десятилетия и видят смену поколений людей, считают их человеко-часы и опыт. Однако отсутствие результата иногда имеет такой же научный смысл, как любое разрекламированное открытие: мы узнаём о том, чем не является реальный мир, или о том, чего в нём нет. С другой стороны, получение некоего позитивного отклика от любого из этих экспериментов имело бы далеко идущие последствия для нашего понимания Вселенной и нашего места в ней.

Вашему вниманию предлагается список из семи идущих в данный момент экспериментов, которым ещё только предстоит найти искомое. Все они удивительны в своей гениальности и амбициозности. Неудивительно, что их стараются продолжать и поддерживать.

Чтобы пролить свет на тёмную материю, заройте в землю ёмкость с жидким ксеноном

Учёные выдвинули теорию, что нити тёмной материи формируют некий скелет, на котором держатся все видимые нами галактики. Каждую из них окружает гало из тёмной материи, обеспечивающее дополнительную гравитацию, объясняющую то, как звёзды вращаются вокруг галактических центров. Но тёмную материю нам ещё только предстоит обнаружить напрямую. Хотя за последние несколько десятилетий было совершено уже множество попыток обнаружить тёмную материю через крайне слабые взаимодействия с обычной материей, все они потерпели неудачу.

Среди различных форм, которые способна принимать тёмная материя, т.н. слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) представляют одну из самых интересных возможностей для специалистов по физике частиц. Эксперимент LUX, находящийся более чем в километре под землёй в бывшей шахте в Южной Дакоте, помог очень высоко поднять планку неудач в обнаружении WIMPs. Оборудование представляет собой резервуар с 72 000 тоннами воды высокой чистоты, отфильтровывающей паразитные космические лучи. Внутри него находится треть тонны жидкого ксенона, окружённого датчиками, достаточно чувствительными, чтобы обнаружить свет, испускаемый в результате столкновения тёмной материи с атомами ксенона.

Неудача LUX в обнаружении каких бы то ни было следов тёмной материи привела к апгрейду LUX-Zeplin – к эксперименту, в котором используется почти в 20 раз больше жидкого ксенона, чем в LUX. Найдёт ли новый эксперимент что-нибудь там, где не смог этого сделать LUX – покажет время. Судя по всему, природа любит издеваться над надеждами и ожиданиями учёных.

Чтобы на самом деле увидеть гравитационные волны, оставшиеся от Большого взрыва, изучай разные частоты

Гравитационные волны (гравитационный аналог электромагнитного излучения, или света) со времён Большого взрыва должны были оставить уникальный след в реликтовом излучении, наблюдаемом нами во всех направлениях, и оставшемся после взрыва, создавшего наблюдаемую Вселенную. Оно демонстрирует крохотные флуктуации температуры и поляризации, обеспечивающие нас фотографией гравитационного поля в то самое время – когда Вселенной было 379 000 лет – когда сформировались первые нейтральные атомы водорода. Этот след должен представлять собой вращающуюся поляризационную картину, технический термин для которой – B-моды.

Радость, вызванная объявлением об обнаружении таких В-мод, сделанным в 2014 году группы BICEP/Keck, оказалась преждевременной. То, что казалось первичными гравитационными волнами, оказалось поляризованными частицами пыли на высоких галактических широтах, способной имитировать такую же вращающуюся поляризационную картину, которую должны демонстрировать гравитационные волны.

Несмотря на это, группа BICEP обновилась до конфигурации BICEP3, состоящей из массива из 2500 датчиков (болометров), предназначенных для наблюдения за реликтовым излучением на гораздо более низких частотах, чем её предыдущая версия. Десять лет наблюдений при помощи разных версий телескопа BICEP не привели к обнаружению В-мод первичных гравитационных волн, но поиски не собираются останавливать – соревнование за обнаружение их первыми только разогревается.

Чтобы узнать, объединяются ли сильные ядерные и электрослабые взаимодействия, ищи «сверхзвуковой хлопок» у света

Стандартная модель физики частиц – кульминация десятилетий взаимодействия теории и эксперимента, от зарождения квантовой механики до предположений о том, что слабое ядерное взаимодействие (отвечающее за определённые типы радиоактивного распада) и электромагнетизм – это разные аспекты одного «электрослабого» взаимодействия. Электромагнитное и слабое взаимодействия только кажутся нам разными в масштабе типичного лабораторного эксперимента, поскольку поле Хиггса – придающее массу взаимодействующим с ним частицам – прячет симметрию, присущую этим двум взаимодействиям.

В стандартной модели есть ещё одно, сильное ядерное взаимодействие, которое должно объединиться с электрослабым на энергиях в триллион раз выше тех, что мы можем достичь в ЦЕРН, в «Великом объединении». Одно из его предсказаний состоит в том, что протон перестаёт быть стабильным и может распадаться на другие частицы – пионы и позитроны – хотя и достаточно редко, так, что период полураспада может быть больше в сотню триллионов триллионов раз, чем текущий возраст Вселенной.

Супер-Камиоканде – и планируемое обновление, Гипер-Камиоканде – расположен в километре под горой в лаборатории Камиока в центральной Японии. Этот эксперимент ищет, среди прочего, признаки таких чрезвычайно редких распадов протона в нереального размера ёмкостях сверхчистой воды. Сканируя пространство в поисках неярких вспышек света, известных, как излучение Черенкова – оптический эквивалент сверхзвукового хлопка — Супер-Камиоканде ищет частицы с высокой энергией, на которые распадается протон.


Излучение Черенкова в активной зоне передового испытательного реактора в национальной лаборатории Айдахо

Пока ничего не обнаружено. Но Гипер-Камиоканде, чья планируемая чувствительность будет в 10 раз больше, должен начать наблюдения уже в 2020 году.

Для проверки суперсимметрии зондируйте нейтрон

Стандартная модель физики частиц предсказывает, что у нейтрона – который, вместе с протоном, составляет содержимое атомного ядра – есть чрезвычайно малый электрический дипольный момент (ЭДМ), фиксированное расстояние, разделяющее два противоположных заряда. Именно из-за его малой величины, скорее всего, его до сих пор не обнаружили. Но теории, дополняющие Стандартную модель суперсимметрией – гипотетической эквивалентностью взаимодействий и вещества – обычно предсказывают ЭДМ, в 100 000 раз больший, чем предсказывает СМ.

Введя ограничения на величину ЭДМ нейтрона, можно проверить, присутствует ли в природе суперсимметрия, способом более строгим, чем можно достичь, ускоряя частицы в коллайдерах. Эксперимент CryoEDM как раз пытается сделать это в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция. Наблюдая разницу в прецессии спина очень медленных нейтронов – то есть, в изменении ориентации оси вращения – в присутствии магнитных и электрических полей, можно точно измерить ЭДМ нейтрона, если он есть, поскольку от его наличия зависит скорость прецессии.

К тому времени, когда CryoEDM достигнет своей расчётной чувствительности, он сможет исключить или подтвердить наличие суперсимметрии. Наблюдение ЭДМ будет соблазнительным доказательством присутствия в природе суперсимметрии, поскольку значение, предсказываемое Стандартной моделью, слишком мало для обнаружения с текущей чувствительностью экспериментов.

Чтобы заметить дополнительные измерения, присмотритесь к гравитации

Если дополнительные измерения существуют, они могут влиять на работу гравитации на сверхмалых расстояниях. Они не только подразумевают наличие отклонений от обычного закона обратных квадратов ньютоновской гравитации, но и подразумевают существование новых сил, действующих на коротких дистанциях сравнимо с гравитацией, нарушающих т.н. принцип эквивалентности. Принцип постулирует, что вся материя – пушечное ядро, яблоко – падает в заданном гравитационном поле одинаково. А особенности дополнительных измерений состоят в том, что поля, контролирующие размер дополнительных измерений, имитируют гравитацию, но только на очень коротких расстояниях, и при этом действуют различно на разные виды материи.


Учёные предположили, что дополнительные измерения могут иметь вид 6-мерного многообразия Калаби-Яу, что и привело к появлению идеи зеркальной симметрии

Хотя общая теория относительности Эйнштейна была тщательно проверена на масштабах от Солнечной системы до Вселенной, исследователи только недавно приступили к её проверке на субмиллиметровых масштабах.

Используя точно откалиброванные крутильные весы, группа Эт-Ваш [Eot-Wash collaboration] (названная в честь барона фон Этвёша, ставившего первые подобные эксперименты в начале ХХ века и города Вашингтон) из Вашингтонского университета ищет нарушения принципа эквивалентности – в дополнение к отклонениям от закона обратных квадратов – на масштабах, приближающихся к 100 000-м долям метра. Пока что не было найдено никаких модификаций для законов Ньютона или принципа эквивалентности, что говорит о том, что если и существуют дополнительные измерения, то они в свёрнутом состоянии намного меньше, чем несколько десятых долей микрона.

Для наблюдения космологических «тёмных веков», настройтесь на слабый радиосигнал

В истории Вселенной была эпоха, о которой известно сравнительно мало – это так называемые тёмные века. Это эра после рекомбинации, после того, как сформировались первые нейтральные атомы водорода, и до того, как начали светить первые звёзды.

Атом водорода сам по себе ничего особенного не излучает. Но, подобно планете, двигающейся по орбите вокруг Солнца, также вращающегося вокруг своей оси, одиночный электрон, вращающейся вокруг ядра водорода, «вращается» вокруг своей оси, которая направлена в ту же, или в противоположную сторону относительно его движения по орбите. В последнем случае энергии у него меньше.

Небольшая часть нейтрального водорода, в тёмные века подсвеченного реликтовым излучением, была возбуждена и перешла в состояние с более высокой энергией и одинаковой направленностью. И после перехода этих возбуждённых атомов к состоянию с низкой энергией и разнонаправленной конфигурацией они излучают сигнал на частоте 1,4 ГГц, соответствующей очень слабому радиосигналу с длиной волны в 21 см. Обнаружение 21-см фонового излучения позволит нам заглянуть в тёмные века.

Телескоп Low Frequency Array (LOFAR) – это массив из 20 000 фазовых антенн, расположенных в Европе (по большей части в Нидерландах), заглядывающих в космос с 2012 года в надежде обнаружить этот слабый сигнал. Но Земля, и Галактика, в которой она находится – это очень шумные места, и пока что у нас не получалось обнаружить сигнал из тёмных веков, преодолевающий местный шум. Разрабатываются амбициозные планы по созданию международного массива Square Kilometer Array (SKA), но пока что тёмные века остаются тёмными.

Чтобы найти инопланетян, просто не переставайте прислушиваться

Обнаружение убедительных доказательств существования иной разумной жизни во Вселенной станет переломным моментом в жизни нашей цивилизации. Коллективные усилия, состоящие из большого числа экспериментов, были направлены на поиски внеземных сигналов разумных цивилизаций почти столько же, сколько существует радио. Идея в том, что искусственные радиосигналы можно отличить от естественных (астрофизических) источников, из-за их узкого частотного диапазона и повторяющейся природы, как это происходит с человеческими радиопередачами. Соблазнительный кандидат на такой сигнал был обнаружен в 1977 году, хотя с тех пор его не видели, и нельзя исключать возможность его естественного происхождения.


Обсерватория Аресибо в Пуэрто-Рико участвует в поиске внеземного разума

Эксперимент SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) идёт с использованием различных радиотелескопов, включая Антенную решётку Аллена, которую недавно снабдили технологией, обычно использовавшейся для поиска экзопланет. Учёные также настроили её на поиск возможных инопланетных мегаструктур, существование которых предположил физик Фриман Дайсон. Развитые цивилизации могут строить такие структуры для непосредственного сбора энергии звезды. И несмотря на то, что за десятки лет ничего обнаружено не было, коллективные поиски внеземного разума оборудованы сейчас лучше, чем когда бы то ни было. Они принимают меры по поводу беспокойства Артура Кларка, выраженного им в знаменитой фразе: «Существуют две возможности: либо мы одиноки во Вселенной, либо нет. Обе они одинаково пугающие».