Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Отже, було потрібно лише взяти бак із, скажімо, трьома тисячами тонн води, помістити його в темряву, пересвідчитися у відсутності радіоактивного фону, розставити навколо чутливі фотоелементи, здатні зафіксувати спалахи світла в детекторах, а тоді почекати рік, виглядаючи спалах світла, що супроводжуватиме розпад протона. Яким би складним не здавалося це завдання, принаймні два великі експерименти збудували й ввели в експлуатацію саме з такою метою, один – глибоко під землею в соляній шахті поблизу озера Ері, а другий – у шахті поблизу Каміоки (Японія). Шахти були необхідні для екранування від зовнішніх космічних променів, які створили б радіаційний фон, що заглушив би всі сигнали розпаду протона.

Обидва експерименти почали збирати дані десь у 1982–1983 роках. Велике об’єднання здавалося настільки привабливим, що фізична спільнота була певна: незабаром буде отримано сигнал і ВО ознаменує собою кульмінацію десятиріччя приголомшливих змін та відкриттів у галузі фізики елементарних частинок (не рахуючи Нобелівської премії Ґлешоу і, можливо, ще декому).

На жаль, цього разу природа виявилася не такою доброю. Ані на першому, ані на другому, ані на третьому році не було зафіксовано жодних сигналів. Найпростіша елегантна модель, яку запропонували Ґлешоу та Джорджі, досить швидко була відкинута. Проте, заразившись ідеєю Великого об’єднання, було нелегко її позбутися. Були запропоновані інші варіанти об’єднаних теорій, які могли пояснити пригнічення протонного розпаду поза межі поточних експериментів.

Проте 23 лютого 1987 року сталася інша подія, що підтвердила максиму, котра, як я мав можливість переконатися, є майже універсальною: щоразу, як ми відкриваємо нове вікно у всесвіт, на нас чекає несподіванка. Того дня група астрономів на відзнятих за ніч фотографічних пластинах угледіла найближчий за майже чотириста років вибух зірки (наднової). Ця зірка перебувала на відстані приблизно 160 000 світлових років у Великій Магеллановій Хмарі – маленькій галактиці-супутнику Чумацького Шляху, яку можна спостерігати в Південній півкулі.

Якщо наші уявлення стосовно зірок, що вибухають, слушні, то, попри те, що випромінене видиме світло настільки яскраве, що ті наднові (з частотою приблизно одного вибуху на сто років на галактику) є найяскравішими космічними феєрверками в небі, більша частина виділеної при цьому енергії повинна виділятися у формі нейтрино. Згідно з грубими оцінками, величезні водяні детектори ІМБ (Ірвайн – Мічиган – Брукхейвен) та «Каміоканде» мали зафіксувати приблизно двадцять нейтринних подій. Тоді експериментатори з проектів ІМБ та «Каміоканде» переглянули дані за той день, і – вуаля! – ІМБ зафіксував впродовж 10-секундного інтервалу вісім подій-кандидатів, а «Каміоканде» – одинадцять. За мірками світу фізики нейтрино це була просто-таки повінь даних. На основі цих дев’ятнадцяти подій фізики на кшталт мене, які збагнули, що перед ними відкрилися безпрецедентне вікно в ядро наднової й лабораторія не лише для астрофізики, а й для фізики самих нейтрино, написали, мабуть, 1900 статей.

Пришпорені усвідомленням, що великі детектори протонних розпадів можна одночасно використовувати ще й як нові астрофізичні детектори нейтрино, кілька груп почали будувати такі детектори подвійного призначення нового покоління. Найбільший такий детектор у світі було збудовано знову ж таки в шахті біля Каміоки й названо «Супер-Каміоканде», причому небезпідставно. Цей велетенський бак на 50 тисяч тонн води, оточений 11 800 фотоелементами, працював у шахті, проте в рамках експерименту підтримували чистоту лабораторної стерильної кімнати. Це було абсолютно необхідно, оскільки в роботі з детектором такого розміру хвилюватися доводилося не лише щодо зовнішніх космічних променів, а й щодо внутрішніх радіоактивних забруднювачів води, здатних заглушити всі шукані сигнали.

Водночас упродовж цього періоду нового зеніту досяг інтерес до спорідненої астрофізичної нейтринної сигнатури. Сонце виробляє нейтрино за рахунок ядерних реакцій у своєму ядрі, які його живлять, і впродовж двадцяти років Рей Девіс, використовуючи величезний підземний детектор, фіксував сонячні нейтрино, проте стабільно фіксував частоту подій, приблизно втричі меншу за теоретично передбачену на основі найкращих моделей Сонця. Тож у глибокій шахті в канадському Садбері було збудовано детектор сонячних нейтрино нового типу, який став відомий як Садберійська нейтринна обсерваторія (SNO).

Наразі «Супер-Каміоканде», який пережив різноманітні вдосконалення, майже безперервно пропрацював упродовж 20 років. За цей час не було зафіксовано ані жодного сигналу протонного розпаду, ані нових вибухів наднових. Проте високоточні спостереження нейтрино на цьому величезному детекторі в поєднанні з комплементарними спостереженнями в SNO, впевнено засвідчили: брак сонячних нейтрино, що їх зафіксував Рей Девіс, дійсно існує, мало того, він спричинений не астрофізичними ефектами на Сонці, а властивостями нейтрино. Принаймні один із трьох відомих типів нейтрино не є безмасовим, хоча його маса дійсно дуже мала, десь у сто мільйонів разів менша за масу наступної найлегшої частинки природи – електрона. Оскільки Стандартна модель не враховує маси нейтрино, це було перше переконливе спостереження того, що в природі діє якась нова фізика, що виходить за межі як Стандартної моделі, так і моделі Хіггса.

Невдовзі після цього спостереження за високоенергетичними нейтрино, які постійно бомбардують Землю в міру того, як високоенергетичні протони космічних променів врізаються в атмосферу та породжують спрямовану вниз зливу частинок, зокрема й нейтрино, показали, що масу має й другий тип нейтрино. Ця маса дещо більша, одначе все одно значно менша за масу електрона. За ці результати очільники команд у SNO та «Каміоканде» одержали 2015 року Нобелівську премію з фізики – лише за тиждень до того, як я написав перший чорновий варіант цих слів. Ці інтрижні натяки на існування нової фізики досі не пояснені поточними теоріями.

Хоча відсутність протонних розпадів розчаровувала, її не можна було назвати абсолютно несподіваною. Відтоді як теорія Великого об’єднання була запропонована вперше, фізичний ландшафт дещо змінився. Більш точні вимірювання реальних сил трьох негравітаційних взаємодій, поєднані з більш хитромудрими обрахунками залежності сили цих взаємодій від відстані, показали, що, якщо в природі існують лише частинки Стандартної моделі, сили цих трьох сил на жодному єдиному масштабі не об’єднуються. Для того, щоб відбулося Велике об’єднання, має існувати якась нова фізика на енергетичних масштабах поза межами вже спостережених. Наявність нових частинок вплине не лише на швидкість зміни трьох відомих взаємодій із відстанню таким чином, що вони все-таки зможуть об’єднатися на якомусь одному масштабі енергії; це спричинюватиме підвищення масштабу Великого об’єднання, а отже, зменшуватиме швидкість протонного розпаду, що приведе до передбачених часів життя, які перевищують мільйони мільярдів мільярдів мільярдів років.