Научные мегаустановки вроде Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Fermilab) давно вышли за рамки классической физики элементарных частиц. Сегодня здесь сходятся пути космологии, физики высоких энергий и даже проектов по поиску внеземного разума (SETI). В интервью для канала Event Horizon старший научный сотрудник Fermilab астрофизик Джеймс Аннис подробно рассказывает, как устроена работа передового научного центра, почему физики переключились с коллайдеров на нейтрино и как новые астрономические обзоры изменят наше понимание Вселенной.
🔬 От поиска топ-кварка к нейтринным пучкам: эволюция Fermilab 1:37
Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми (Fermilab), основанная в 1967 году , на протяжении десятилетий оставалась мировым лидером в области физики высоких энергий. Именно здесь в 1993–1994 годах ученые экспериментально подтвердили существование топ-кварка — одной из самых массивных фундаментальных частиц Стандартной модели . Исторически деятельность лаборатории была направлена на создание мощных коллайдеров, способных сталкивать частицы на максимально возможных энергиях для поиска новых кирпичиков материи.
Однако в последние 5–7 лет в Fermilab произошел тектонический сдвиг . Лаборатория переориентировала свои ресурсы с погони за рекордными энергиями столкновений на исследование нейтрино — загадочных и легких частиц, которые могут указывать на физику за пределами Стандартной модели.
Для этого существующие ускорители высоких энергий были модернизированы в протонные пучки высокой светимости . Технический механизм этого процесса выглядит следующим образом:
- Высокоинтенсивный поток протонов разгоняется до околосветовых скоростей.
- Пучок протонов направляется на массивную стальную мишень («стену»).
- В результате мощного соударения сталь становится радиоактивной, а с обратной стороны барьера формируется мощный пучок нейтрино .
Этот поток элементарных частиц используется для проведения исследований как на самой территории Fermilab, так и на огромном удалении от нее. Флагманским проектом лаборатории является DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) — глубокий подземный нейтринный эксперимент . Его детектор строится в заброшенной шахте в штате Южная Дакота. По оценкам Джеймса Анниса, этот прибор станет самым чувствительным нейтринным детектором в мире и будет запущен примерно через 8 лет .
🌌 Космическая связь: как астрономия помогает микромиру 3:11
На первый взгляд, астрономия и физика элементарных частиц изучают несопоставимые масштабы Вселенной. Однако, по словам Джеймса Анниса, между космологией и физикой высоких энергий существует глубокая фундаментальная связь, аналогов которой нет, например, между физикой и химией . Любая гипотетическая массивная частица, существующая в микромире, неизбежно оставляет свой гравитационный след в крупномасштабной структуре Вселенной — распределении галактик и параметрах реликтового излучения .
Эта синергия наглядно проявляется при регистрации космических катаклизмов. Джеймс Аннис отмечает, что строящийся детектор DUNE будет обладать достаточной чувствительностью для фиксации нейтрино от вспышек сверхновых даже в Большом Магеллановом Облаке . В качестве примера ученый приводит знаменитую сверхновую SN 1987A:
- В 1987 году детектор IMB смог зафиксировать всего около 7 нейтрино от этого взрыва .
- Новый детектор DUNE позволит ученым в мельчайших деталях изучить энергетический спектр и временное распределение частиц.
- Астрофизики смогут буквально в реальном времени наблюдать за формированием и последующим распадом так называемой «нейтриносферы» умирающей звезды .
Интересно, что наземные эксперименты в Fermilab в определенном смысле имитируют эти космические процессы. Протонный пучок, бьющий в стальную мишень лаборатории (так называемый «нейтринный сброс»), генерирует поток частиц с тем же тепловым распределением энергий, что и настоящая сверхновая . Разница заключается лишь в том, что лабораторный «взрыв» светит гораздо тусклее космического аналога .
📡 Нейтринный «телеграф» и космические маяки SETI 5:52
Поскольку нейтрино практически не взаимодействуют с обычным веществом, они способны беспрепятственно проходить сквозь любые преграды, включая толщу Земли. Пучок из Fermilab направляется сквозь планету под углом к горизонту . Из-за кривизны земной коры он уходит под землю, а затем вновь поднимается к поверхности в районе шахты в Южной Дакоте . Похожий принцип использует и нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе, где детектором служит массив антарктического льда объемом в один кубический километр .
Возникает логичный вопрос: можно ли использовать нейтрино для сквозной связи через планету или даже в межзвездных масштабах? Джеймс Аннис подтверждает, что технически это возможно. В Fermilab фиксируют моменты включения и выключения пучка, что само по себе является простейшим сигналом . Однако в качестве практического средства связи эта технология крайне неэффективна:
- Скорость передачи данных (baud rate) с помощью нейтрино будет ничтожно малой.
- Максимум, на что способно человечество при текущем уровне развития — это передача медленных сигналов азбукой Морзе .
- Генерация пучка происходит импульсами (протонные сгустки ударяют в мишень примерно каждые 100 миллисекунд), что позволяет кодировать двоичный сигнал .
По мнению Джеймса Анниса, межзвездная нейтринная связь или передача данных с помощью гравитационных волн — это крайне нерациональные технологии . Для обнаружения слабого потока требуются детекторы планетарного масштаба. В качестве аналогии ученый приводит использование сверхдлинных радиоволн (СДВ) для связи с подводными лодками: лодке приходится буксировать за собой многокилометровый кабель-антенну, а скорость передачи данных падает до единиц бит в минуту .
Тем не менее, в рамках программы SETI существует оригинальная гипотеза «сверхновой-маяка» . По словам собеседников, если инопланетная цивилизация хочет заявить о своем существовании, ей не нужно строить энергозатратный всенаправленный маяк и держать его включенным миллионы лет. Вместо этого разумные существа могут дождаться естественного взрыва сверхновой (например, Бетельгейзе) и отправить свой сигнал в тот момент, когда все телескопы галактики будут направлены на этот источник . Более продвинутые цивилизации гипотетически могли бы даже ускорить взрыв белого карлика (сверхновую типа Ia), искусственно спровоцировав перенос массы со звезды-компаньона, чтобы точно синхронизировать отправку сообщения .
🔭 От SDSS до обсерватории Веры Рубин: новая эра картографирования неба 12:46
Джеймс Аннис подробно рассказал о ключевых астрономических проектах Fermilab, каждый из которых становился прорывом для своего времени:
- Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Проект, начатый в 1993 году, стал настоящей революцией в наблюдательной астрономии . Ученые составили трехмерную карту, охватившую четверть неба и включившую более миллиона галактик, квазаров и звезд . Все калиброванные данные были выложены в открытый доступ, что позволило ученым со всего мира проводить исследования без ограничений .
- Dark Energy Survey (DES). Проект стартовал в 2003 году и базировался на 4-метровом телескопе им. Виктора Бланко в Чили . Астрономы установили на него крупнейшую на тот момент камеру с кремниевой матрицей высокого разрешения, чувствительной к красному спектру . Основная цель DES — измерение уравнения состояния темной энергии и эволюции ее плотности с помощью анализа слабого гравитационного линзирования .
- Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Этот проект реализуется на телескопе им. Николаса Майяла в Аризоне . Вместо 600 оптических волокон, использовавшихся в SDSS, инструмент DESI оснащен 5000 роботизированных волоконных спектрографов . Он предназначен для высокоточного измерения барионных акустических осцилляций на красных смещениях от $z = 0.1$ до $3$ .
Главной же надеждой экспериментальной космологии на ближайшие десятилетия Джеймс Аннис считает строящуюся обсерваторию имени Веры Рубин (ранее известную как телескоп LSST) . Расположенный в Чили 6,5-метровый телескоп будет оснащен самой большой цифровой камерой в истории человечества . Обсерватория сможет полностью сканировать все доступное ночное небо каждые три ночи на протяжении 5–10 лет .
По словам Анниса, этот проект станет настоящим «клондайком» для науки . Он позволит:
- Фиксировать межзвездные объекты, пролетающие через Солнечную систему (подобные астероиду Оумуамуа или комете Борисова) .
- Обнаружить гипотетическую Девятую планету, если она действительно существует на окраинах нашей системы .
- Провести полную перепись ледяных тел в Поясе Койпера .
- Искать следы микролинзирования звезд кандидатами в темную материю в галактическом гало .
Важнейшим аспектом работы обсерватории Веры Рубин станет политика полностью открытых данных . Любой человек на планете сможет свободно работать с колоссальными архивами снимков. Джеймс Аннис подчеркивает, что объем поступающей информации будет настолько огромен, что профессиональные ученые физически не справятся с ее обработкой. Это откроет широкие возможности для так называемой «гражданской науки» (citizen science), когда волонтеры помогают искать новые космические объекты и анализировать аномалии .
🏢 Жизнь внутри Wilson Hall: эспрессо, формулы на стеклах и архитектурный модернизм 1960-х 22:10
Атмосфера в Fermilab уникальна не только благодаря масштабу научных задач, но и за счет внутренней культуры. Джеймс Аннис описывает Wilson Hall — знаменитое 15-этажное административное здание лаборатории, построенное в конце 1960-х годов . Это футуристическое сооружение представляет собой две наклонные бетонные конструкции, сходящиеся у вершины и образующие гигантский стеклянный атриум.
Архитектура здания способствует постоянному междисциплинарному общению. Роль связующего звена играют физики-теоретики, которые живо интересуются как прямой регистрацией темной материи, так и экспериментами на ускорителях . В лаборатории существуют так называемые «точки притяжения» (watering holes):
- Возле каждой кофемашины в Wilson Hall обязательно установлена школьная доска или маркерный флипчарт .
- Пока ученые ждут свой эспрессо, они начинают обсуждать идеи и записывать формулы прямо на доске .
- Многие теоретики используют в качестве маркерных досок панорамные окна своих кабинетов, выходящие в атриум, записывая уравнения прямо на стекле .
Не обходится и без курьезных историй. Джеймс Аннис вспоминает, как около двадцати лет назад, работая допоздна на шестом этаже, он взглянул в окно атриума и обомлел: его коллега преспокойно шел по узкому внешнему карнизу на высоте нескольких десятков метров . Позже выяснилось, что карниз находился чуть ниже уровня окон, а реальное падение угрожало не на шесть этажей, а «всего» на три, однако эта выходка все равно заставила ученого пережить несколько неприятных минут .
Джеймс Аннис выражает глубокое сожаление по поводу того, что современная архитектура научных центров стала более скучной и утилитарной . В конце 1960-х годов руководство Fermilab выделило несколько процентов от общего бюджета на эстетическое оформление территории и зданий . Это позволило создать вдохновляющее пространство с воссозданной дикой прерией вокруг Wilson Hall, где ученые чувствуют себя ценными исследователями, а не просто винтиками в безликих бетонных коробках . Даже старые купола телескопов Blanco и Mayall высотой около 30 метров спроектированы со сложной геометрией внешних панелей, создающей ощущение высоких технологий будущего . В то же время современные превосходные телескопы зачастую строятся в виде максимально дешевых серых коробок, оптимизированных исключительно для снижения теплового следа .
