Луну задействуют как гигантский детектор частиц

🕛 12.08.2009, 11:37

Охота за неуловимыми нейтрино связана с вояжами команд ученых и оборудования в Антарктику, Средиземноморье и на озеро Байкал. Но все большее количество проектов по обнаружению высокоэнергетических нейтрино используют радиотелескопы для наблюдения за Луной. Если усилия окажутся успешными, будут открыты самые мощные во вселенной ускорители частиц и даже свидетельства новой, необычной физики.

Нейтрино - фундаментальные частицы, которые легко проходят через материю, лишь изредка сталкиваясь с атомными ядрами. До сегодня единственные обнаруженные внеземные нейтрино исходили от Солнца и сверхновой звезды, названной 1987A. Но астрономы уверены, что космос полон высокоэнергетических нейтрино, источниками которых являются своеобразные космические ускорители, разгоняющие частицы до энергий, в 100 млн раз превышающих возможности самых мощных из созданных людьми ускорителей на Земле. Поскольку нейтрино столь редко взаимодействуют с материей, словить хотя бы малое их число возможно только большим количеством вещества. Предназначенные для этой цели детекторы настроены на фиксирование вспышек света, возникающих при столкновении нейтрино с атомами.

Озера, океаны и глыбы льда неплохо подходят на роль помощников в поиске нейтрино, потому как свет от вспышек относительно беспрепятственно проходит сквозь них к детекторам. Однако внешний слой Лунной поверхности - плотный грунт, названный реголитом, - также может послужить научным целям. Высокоэнергетические нейтрино, сталкивающиеся с атомами реголита, должны вызывать наносекундные вспышки радиоволн, проникающих вглубь Луны на десятки или сотни метров. Нацеленный на поверхность естественного спутника телескоп потенциально способен обнаружить эти кратковременные энергетические вспышки. Но осуществить это нелегко. Помимо малой частоты столкновений частиц, замечаемых учеными всего по несколько в месяц, есть и препятствие с радиотелескопами: они подвержены действию других сигналов, включая поступающие от разнообразных технических машин на Земле. Эти помехи должны быть исключены. И размер Луны поможет преодолеть препятствие. По словам Хейно Фалке (Heino Falcke) из Университета города Наймеген (Radboud University Nijmegen) в Нидерландах, "Размер имеет значение в этой игре. Только так можно поймать эти частицы".

Фалке представляет команду NuMoon, которая завершила пилотный проект по поиску сигналов нейтрино на Луне в начале 2009 года с помощью Уэстерборкского радиотелескопа (Westerbork Synthesis Radio Telescope). Коллектив надеется начать исследования с более чувствительным инструментом - оснащенным суперкомпьютером телескопом LOFAR в конце этого или начале следующего года. NuMoon - не единственный проект охоты за нейтрино: RESUN использует радиотелескоп с очень большой антенной системой Very Large Array (VLA) в Нью-Мексико и завершает проект 50-часового наблюдения. LUNASKA обслуживает 64-метровый радиотелескоп города Паркес. Что же они могут обнаружить? Точного ответа нет. Астрономы ожидают подтверждение существования нейтрино, потому что они нашли высокоскоростные заряженные частицы, называемые ультравысокоэнергетическими космическими лучами (UHECR), которые, взаимодействуя с оставшимися после Большого взрыва фотонами, вероятно и создают нейтрино. Работающие сейчас лунные проекты могут фиксировать только нейтрино с очень большими энергиями - как минимум в 10 или 100 раз превышающими высокоэнергетические космические лучи. На роль их источника есть несколько кандидатов: побочные продукты столкновений космических лучей и фотонов, сверхновые звезды, огромные черные дыры в центрах галактик. Среди альтернативных предположений - частицы сверхтяжелой темной материи или топологические дефекты пространства-времени.

Нейтрино могут помочь разрешить тайну происхождения космических лучей. Астрономы считают, что UHECR могут приобретать высокие энергии под действием потоков материи, "убегающей" от сверхмассивных черных дыр. Лучи при взаимодействии с фотонами, оставшимися после Большого взрыва, быстро теряют энергию, поэтому должны лишаться своих свойств еще за 150 млн световых лет от Земли. Пережившие несколько столкновений нейтрино могут рассказать, как космические лучи преодолевают этот лимит. Кроме того, нейтрино не заряжены, а значит не отклоняются наполняющими пространство магнитными полями. Следовательно, можно проследить путь к их источнику. "Они скажут нам, какой вклад в формирование Вселенной космические ускорители внесли с момента Большого взрыва", - говорит Питер Горэм (Peter Gorham) из Гавайского Университета (University of Hawaii) на Маноа, который сейчас обратил свое внимание на самую крупную земную мишень для нейтрино - антарктический ледяной щит со своим экспериментальным проектом ANITA, задействующим весь Южный полюс. Достигается это при помощи воздушных шаров, несущих на борту радиоаппаратуру. Нейтрино способны преодолевать значительные расстояния во льду - большие, чем в реголите, создавая мощный сигнал при выходе наружу. Но оборудование ANITA, второй запуск которого завершился в этом году, могло оставаться в атмосфере лишь несколько недель, тогда как радиотелескопы получают данные с Луны годами.

Даже если новые исследования не помогут лучше изучить нейтрино, ученые рассчитывают получить в распоряжение мощные и чувствительные инструменты. "Это часть гонки за то, чтобы увидеть нейтрино как можно скорее, - говорит Горэм. - Мы не знаем, что обнаружим, увидев эти частицы. Но этот момент начнет новую эру в астрономии".