Самый большой научный инструмент

Представьте себе лабораторную установку размером с континент. В нее периодически влетают элементарные частицы, которые движутся быстрее, чем свет в среде установки. Такие частицы неизбежно тратят свою энергию на излучение. В оптическом диапазоне — это черенковское излучение, называемое в честь своего первооткрывателя Павла Черенкова. А в радиодиапазоне это — эффект Аскарьяна, названный в честь Гургена Аскарьяна, предсказавшего его еще в 1962 году.

Речь идет о нейтринной астрономии, интересующие нас частицы — нейтрино сверхвысоких энергий, появившиеся когда-то в результате экстремальных астрономических событий, типа взрывов сверхновых. Возможно это было в нашей галактике, но скорее — где-то гораздо дальше. Поблизости от нас сверхновые давненько не взрывались.

Черенковское (оптическое) излучение является ключевой «фишкой» нейтринного телескопа IceCube, построенного на Южном полюсе. В антарктическом льду через равные промежутки пробурены скважины, в них затем вморожены гирлянды фотодетекторов. Если в лед попадает высокоэнергетичная частица, ее свечение регистрируется. Сверху, на поверхности, стоит еще один детектор, регистрирующий частицы космического происхождения. При их обнаружении он автоматически отключает всю установку на короткое время, чтобы избежать ложных срабатываний. Ученых интересуют только частицы, пришедшие снизу, т. е. только нейтрино. Для них земной шар практически прозрачен, для всех остальных — нет.

Черенковское излучение в ядерном реакторе

Стоит заметить, что установка регистрирует не сами нейтрино. Везде, где пишется про их регистрацию, подразумевается, что детекторы «видят» частицы, образовавшиеся при взаимодействии нейтрино с веществом. Иногда оно все-таки происходит.

IceCube сейчас имеет рабочий объем в один кубический километр. Есть планы увеличения установки, благо места в Антарктиде много. Похожие по концепции детекторы нейтрино строятся на Средиземном море и на озере Байкал. Правда, ввиду неимения там льда километровой толщины, чувствительные элементы будут опускаться прямо в воду. Она, в общем-то, ничем не хуже.

Схема IceCube

Километр — это уже очень обширный научный прибор. Но, это не предел.

Выше мы писали про эффект Аскарьяна — высокоэнергетичные частицы, попавшие в среду, где скорость распространения света ниже их скорости движения, излучают и в радиодиапазоне тоже. И их сигналы можно (и нужно) обнаружить.

Нейтринный телескоп ANITA-IV (ANITA — это Antarctic Impulse Transient Antenna) запускается с американской станции Мак-Мердо, находящейся на Южном полюсе. На гелиевом аэростате в небо уходит комплект радиоприемной аппаратуры весом примерно в полторы тонны. Аэростат поднимается вверх примерно 30−37 километров — в стратосферу.

С этой высоты он может принимать радиосигналы с большей части территории Антарктиды, с чем и связано название нашей статьи. Материалом детектора выступает весь антарктический лед.

Полет длится несколько недель и заканчивается тем, что по приказу с земли аэростат стравливает газ и опускается где-то в антарктической глуши. Местного населения, да и вообще — жизни, там нет, поэтому за сохранность техники можно не беспокоиться.

Аппаратура ANITA-IV

Антарктида хороша именно этим — она большая и на ней практически нет людей. Это означает, что аэростат не унесет ветром в море, эфир почти свободен от помех, а приземлять технику можно где угодно и забирать ее когда будет удобно — и с ней ничего не случится.

Эксперимент ANITA начался в 2006 году. За минувшие годы техника претерпела некоторые изменения, отразившиеся в нумерации.

За почти 13 лет работы установки были зарегистрированы два события, которые не вписываются в предсказания Стандартной модели, что заставило астрофизиков, анализировавших данные, заговорить о намеке на новые частицы. Статья с подробным описанием выводов опубликована на сайте препринтов arXiv.

Стандартная модель в современной физике — теория, описывающая взаимодействия всех известных элементарных частиц. Однако физики подозревают, что эта модель неполна. Точнее, им хочется так думать, поскольку перспектива стоять у истоков Новой Физики приятна. Поэтому поиск явлений, не укладывающихся в Стандартную модель — одна из основных задач экспериментальной физики высоких энергий.

Надо заметить, что в этом смысле результаты эксперимента выглядят даже лучше, чем десяти лет работы LHC, которому Стандартную модель поколебать пока так и не удалось. При этом ANITA очевидно дешевле.

• Насколько опасна радиация в космосе для человека?
• Почему змею на проводах не бьет током?
• Как выжить при взрыве гранаты?
• Возможна ли телепортация?
• Как меняют мир квантовые технологии?
• Из чего состоит пламя свечи?
• Десять лет Большому адронному коллайдеру: чудо современной физики
• Патент недели: режем без ножа
• Обнаружен распад бозона Хиггса на две частицы
• Как разбить бутылку голыми руками?