Эксперимент в подземной лаборатории показал наличие невидимого вещества, и оно оказалось разновидностью хорошо известных физикам частиц...
Вот как выглядит место, где, вполне возможно, разгадана одна из величайших тайн Вселенной. И находится оно в России. Это Кабардино-Балкария, Баксанское ущелье, гора Андырчи. У её подножия ещё в советские времена расположился посёлок с говорящим названием Нейтрино. Там живут физики вместе с семьями. Под этой горой есть тоннели длиной в общей сложности почти четыре километра, и в этом подземелье работает Баксанская нейтринная обсерватория. Только многокилометровая толща горной породы даёт надёжную защиту от бомбардирующих Землю космических лучей, в потоке которых невозможно наблюдать нейтрино.

Что такое нейтрино

Название нейтрино (по-итальянски — "нейтрончик") подарил миру физик Энрико Ферми, создатель первого в мире ядерного реактора. Он выбрал это слово потому, что у нейтрино тоже нет электрического заряда, он тоже нейтрален. Эти частички постоянно образуются в ходе ядерных реакций (в первую очередь, конечно, в недрах звёзд) и беспрепятственно носятся по мировому пространству, поскольку очень и очень мало взаимодействуют с другими частицами. Каждое мгновение невообразимое количество нейтрино пронизывают нас с вами и всю нашу планету, но на нас это абсолютно никак не влияет.
Их существование заподозрили ещё в 1930 году, впервые зафиксировали в 1956-м и с тех пор обнаружили, что они бывают как минимум трёх разновидностей. Их назвали электронными, мюонными и тау-нейтрино: они возникают при взаимодействии именно таких частиц.


Загадочные частицы-невидимки

В солнечном ядре образуются мириады электронных нейтрино, но сквозь Землю, как показали измерения, их проходит раза в два-три меньше, чем должно. Оказалось, это потому, что многие электронные нейтрино по дороге превращаются в другие. Эти самопроизвольные перевоплощения по-научному именуются нейтринными осцилляциями, что в переводе на человеческий язык означает, что нейтрино — это "оборотни". До этого считалось, что у них — так же, как у фотонов — нет массы вообще, но невесомые частицы таким образом превращаться одна в другую не могли бы. Значит, масса у них есть.


Но однажды в 1995 году во время эксперимента в Лос-Аламосской лаборатории выяснилось, что некоторые "нейтрончики" не просто переодеваются в прыжке — они начисто пропадают. Как в параллельную Вселенную проваливаются. То есть все известные нейтрино хоть в слабом ядерном взаимодействии, но участвуют. Благодаря этому единственному заметному свойству их удаётся засечь, а тут вообще ничего. Тишина.
И тогда физиков осенило: что, если эти "брюки" превращаются в такие частицы, которые вообще никаким взаимодействием не занимаются, а только гравитационным? Что, если есть четвёртый тип нейтрино, просто мы его не видим? И эти гипотетические частицы-невидимки прозвали стерильными нейтрино. Теперь на них ведётся охота по всему миру: частица, у которой есть масса и нет больше ничего, — это же просто идеальный кандидат в тёмную материю.

Коротко про тёмную материю

Напоминаем расклад сил во Вселенной: всё, что мы видим (галактики, звёзды, планеты) — 4%, ещё процентов 20 — как раз невидимая тёмная материя, и всё остальное — ещё более загадочное нечто, а именно тёмная энергия, которая заставляет всё отталкиваться друг от друга и таким образом расширяет Вселенную всё быстрее и быстрее.
Почему тёмная материя должна быть? Учёные подсчитали, что, скажем, в нашей галактике Млечный Путь слишком мало звёзд и всего прочего, чтобы вся эта спиральная конструкция удерживалась в целости, она давно должна была распасться. И то же самое со всеми остальными галактиками. Их удерживает невидимая масса, которой раз в пять больше видимой.


В поисках стерильного нейтрино

Так вот, в Приэльбрусье под горой Андырчи российские физики устроили такой эксперимент: взяли большой бак, налили в него 50 тонн лёгкого металла галлия и поместили внутрь ёмкость с радиоактивным изотопом хрома. Атомы этого хрома постоянно распадаются, то есть идёт ядерная реакция, и в ходе этой реакции оттуда сплошным потоком летят нейтрино. Электронные нейтрино, то есть такие же, какие выбрасывает из Солнца. Физики, конечно, заранее знают, что "нейтрончики" будут "хулиганить", то есть перевоплощаться. Но все три известных воплощения нейтрино в любом случае изредка, но будут взаимодействовать с атомами галлия и переделывать их в ядра совершенно другого вещества — германия. И это индикатор их наличия.
Что сделали учёные? Они разделили бак с галлием на две зоны — внутреннюю и внешнюю. А потом стали считать, сколько ядер германия получается там и там. Расчёт был такой: пока нейтрино долетят до внешней зоны, некоторые из них успеют исчезнуть напрочь, то есть превратятся в стерильные. А стерильные на галлий никак не будут влиять вообще. Значит, если стерильные нейтрино действительно существуют, то во внешней части бочки ядер германия будет образовываться меньше.
И ситуация такова, что этот расчёт оправдался. В действительно оказалось, во внешней зоне германия меньше. Разумеется, научный подход требует продолжать сомневаться до последнего и повторять один и тот же опыт. Но воодушевление учёные испытывают космическое. Теперь они хотят измерить массу этих невидимок. Они знают, насколько тяжеловесными такие частицы должны быть, чтобы на них можно было полностью переложить ответственность за существование тёмной материи. Если же они окажутся легче, что ж, значит, они составляют какую-то часть этой тёмной материи. Тоже неплохо.Автор: А.Романенкова
Источник: "Life"