Швидкість світла — не межа?

Дослідний центр Європейської організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) 23 вересня заявив про знайдення субатомних частинок — мюонних нейтрино, які можуть рухатися швидше за світло. У цьому відкритті є й частка праці українських учених.

Неймовірний результат

У процесі експерименту пучок мюонних нейтрино, спрямований під землею із ЦЕРНу в італійську лабораторію Гран-Сассо, подолав відстань близько 732 км трохи швидше, ніж зі швидкістю світла. У той же час сучасна фізика значною мірою ґрунтується на спеціальній теорії відносності, яка постулює, що перевищити швидкість світла неможливо.

Це сенсація такого величезного масштабу, що дослідники зробили поки досить обережну заяву, хоча в рамках експерименту їм удалося зареєструвати 16111 випадків, коли нейтрино приходили раніше розрахункового часу. У середньому швидкість частинок перевищує швидкість світла на 0,00248%, тобто на 60 наносекунд, — це статистично достовірні результати. Слід відзначити, що це не перша така заява: 2007 року в рамках проекту MINOS теж було виявлено, що нейтрино від прискорювача в лабораторії Фермі приходять трохи раніше, ніж треба. Правда, тоді вчені вирішили, що цей результат статистично недостовірний.

— Ми спробували знайти цьому явищу всі можливі пояснення, — заявив співавтор дослідження ­Антоніо Ередітато. — Хотіли знайти помилку — тривіальну або складну, побічний ефект, що завгодно, — і не знайшли. Ми нічого не заявляємо, тільки сподіваємося дістати допомогу наукової спільноти, щоб зрозуміти наш неймовірний результат, бо він дійсно ней­мовірний.

Фахівці ЦЕРНу провели семінар, де у відкритому режимі обговорили незвичайне явище. Багато хто все одно був настроєний досить скептично — адже повідомлення про те, що якісь об’єкти здатні рухатися швидше за світло, з’являються регулярно, однак усі вони спростовуються. Скептики вважають, що нові результати можна інтерпретувати інакше, ніж перевищення швидкості світла, цієї «священної корови» теорії відносності. Наприклад, деякі фізики припускають, що нейтрино можуть «просочуватися» через додаткові виміри, існування яких передбачається, наприклад, теорією суперструн. Це здається не менш сенсаційним припущенням, ніж повідомлення про перевищення швидкості світла. Як би то не було, усі фізики, у тому числі автори сенсації, згодні: поки не буде отримано незалежне підтвердження результатів, нічого конкретного остаточно сказати не можна.­

Ці загадкові нейтрино

Спроб піймати й дослідити нейтрино вживали й уживають у різних міжнародних експериментах. Один із них — грандіозний проект OPERA. У його рамках мільярди мільярдів мюон-нейтрино було послано із суперпротонного прискорювача ЦЕРН у Женеві в Італію, у підземну лабораторію Гран-Сассо, де вони потрапляли на детектори, проходили крізь них і летіли далі. 2010 року тут отримано прямі докази того, що мюонні нейтрино — такі собі частинки-перевертні, вони можуть перетворюватися на тау-нейтрино.

До речі, хоча абревіатура OPERA розшифровується як Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus, емблемою проекту є зображення оперного залу — на знак того, що реєстрація нейтрино відбувається в Італії, оперній столиці світу.

Для подолання 730 км цим частинкам потрібно лише 2,4 мілісекунди. Дуже слабка взаємодія нейтрино з речовиною робить експерименти надзвичайно важкими для здійснення. Наприклад, щоб не було впливу космічних променів, лабораторію треба було розташувати на глибині 1,4 км під землею — під горою, у бічних залах автомобільного тунелю на дорозі Рим-Терамо. І зуміти спрямувати промінь нейтрино із ЦЕРНу точно «в яблучко» — у лабораторію Гран Сассо.­­

У проекті OPERA беруть участь приблизно 200 фізиків із 36 інститутів і 13 країн. Співавторами важливого наукового результату поряд із фахівцями з інших європейських країн можна назвати колективи Інституту сцинтиляційних матеріалів (ІСМА) НТК «Інститут монокристалів» НАН України та Об’єднаного інституту ядерних досліджень (ОІЯД, Дубна, Росія). У конструкцію детекторів, що зуміли піймати надсвітові нейтрино, входять сцинтилятори, розроблені й зроблені фахівцями з Харкова.

— Борисе Вікторовичу, як саме проходять експерименти? — запитуємо академіка НАН України Бориса Гриньова.

— Спочатку в суперпротонному синхротроні, розташованому в CERN на кордоні Франції та Швейцарії, протони бомблять графітову мішень. У результаті виникають мезони, які в польоті починають розпадатися з виділенням мюонних нейтрино. Отримані­ частинки під землею пролітають близько 730 кілометрів, перетинають кілька державних кордонів і опиняються в Італії. Тут, під товщею гірських порід (таке розташування дозволяє мінімізувати фон, створюваний космічними та земними нейтрино), розташована найбільша у світі лабораторія з вивчення елементарних частинок — Гран-Сассо. Тут частинки і реєструються за допомогою детекторів.

— Що являють собою ці пристрої?

— Стінки детекторів складаються з таких собі «цеглин» із багатьох шарів фотоемульсій та свинцю. Між ними закладається так звана система цілевказу з різних детекторів-сцинтиляторів для вимірювання параметрів продуктів реакції. Саме завдяки цій системі вдалося припустити наявність ефекту, винесеного в заголовок статті.

Нагадаю, що сцинтилятори — це середовища, у яких під дією випромінювання виникають світлові спалахи, так звані сцинтиляції. Автоматика реєструє факт такого спалаху, оцінює, у якій саме «цеглині» відбулася взаємодія, і його зі стінки виймають. Потім проявляють усі шари фотоемульсії, вивчають їх, вимірюють параметри залишеного на них сліду реакції й тільки після цього роб­лять остаточний висновок, яка саме частинка його зали­шила.

— І скільки ж у детекторі закладено таких «цеглинок»?

— Загалом у експерименті задіяно 62 стінки з 206336 «цеглинок», у кожній з яких — 57 шарів фото­емульсії. Перегляд однієї «цеглинки» на найсучасніших комп’ютерах і спеціалізованому обладнанні триває десятки годин. А взагалі експериментальна установка — це величезна й складна споруда розміром приблизно 10x10x100 метрів, яка вміщає кілька систем реєстрації для виявлення частинок. Щоб піймати невловиме нейтрино, потрібна велика й густа сітка.

— Що конкретно в цьому експерименті робили українські та російські вчені?

— Для проекту OPERA у нашому інституті виготовили понад 30000 стрипів-стрічок зі сцинтиляційного полістиролу довжиною 7 метрів, товщиною 1 сантиметр і шириною 2,6 сантиметра. Разом із колегами з Дубни ми робили розрахунки та моделювання установки, виготовляли реєструвальні елементи, системи цілевказу, збирали модулі системи, перевіряли та встановлювали їх у Гран-Сассо.

Для цього експерименту потрібна була нова технологія виготовлення пластмасових сцинтиляторів, розроблена в нашому інституті в найкоротший термін. Загальноєвропейський конкурс виявив її безперечну перевагу, і в результаті ІСМА НАНУ одержав це європейське замовлення.

— Це єдиний міжнародний проект із дослідження нейтрино, у якому беруть участь учені вашого інституту?

— Ні. Наступними міжнародними проектами з нашою участю, пов’язаними з дослідженням властивостей нейтрино, є Super Nemo (Франція) і Mu2е (США). Мета — пошук так званого безнейтринного подвійного бета-розпаду — дуже рідкісного процесу ядерного розпаду. Якщо його виявлять, фізики одержать відповідь на ще одну загадку: чи є нейтрино майоранівською частинкою, тобто збігаються її частинка й античастинка чи ні. Ми ведемо дослідну роботу зі створення пластмасових рідких і неорганічних сцинтиляторів, що мають високе енергетичне розрізнення та високу чутливість.

…Схоже, ця сенсація з нейтрино заводить нас у сферу фантастики. Ще в минулому столітті професор фізики Колумбійського університету Джеральд Фейнберг висунув теорію про те, що за світловим бар’єром існує світ, що складається із частинок, які називаються тахіонами. Вони, за його словами, здатні рухатися швидше за світло. Може, ми трохи наблизилися до цього загадкового тахіонного світу?

Тим часом

— OPERA — не перший, але й не останній проект полювання на нейтрино, — говорить директор Лабораторії ядерних проблем ОІЯД (Дубна, Росія) доктор фізико-математичних наук Олександр Ольшевський. — Попереду — пошук нейтрино від наднових зірок, вивчення атмосферних нейтринних аномалій, дослідження антинейтрино… Є ще одне надзвичайно цікаве завдання — виявити космічне нейтринне реліктове випромінювання, що несе інформацію про Все­світ лише через одну секунду  після початку його розширення. Для цього потрібні нові й нові експерименти.

Чим більше ми дізнаємося про нейтрино, тим ширше можна буде використовувати цю частинку в різних галузях астрономії і техніки. Один із перспективних напрямів її застосування — нейтринна астрономія. Приміром, нейтрино без поглинання проходять величезні відстані, що дозволяє виявляти й вивчати віддалені астрономічні об’єкти. Теоретично потоки нейтрино можуть бути також використані для створення засобів зв’язку. Можливо, вигаданий фантастами нейтринний контакт із позаземною цивілізацією не такий уже й нереальний.

Практичне застосування частинок — нейтринна діагностика промислових ядерних реакторів, яка розвивається останнім часом. Сьогодні в Росії, Франції, Італії та інших країнах ведуться роботи зі створення нейтринних детекторів, здатних у режимі реального часу вимірювати реакторний нейтринний спектр і таким чином контролювати як потужність реактора, так і композитний склад палива, у тому числі наробіток збройового плутонію. Такий детектор ми вже зробили разом із харків’янами.

Учені почали шукати й інші «угіддя» для полювання на нейтрино, крім земних. У стадії реалізації — кілька проектів із його пошуку за допомогою Місяця. Радіотелескопи, націлені на нього, мають фіксувати короткі спалахи радіоімпульсів, які виникають унаслідок зіткнення невловимих частинок із безжиттєвою місячною поверхнею. Придатним для цього місцем може стати і вкритий кригою супутник Юпітера Європа, на поверхні якого­ є каменеподібний матеріал, що утворився внаслідок зіткнень із космічними ­тілами.