Глубинная связь: наука невозможного

Впервые возможность передачи информации с помощью нейтрино высказал в 1967 году физик Мечислав Суботович в польском научном журнале Postepy Techniki Jadrowej («Шаги ядерной техники»). В том же году вышел роман Станислава Лема «Голос неба», в основе сюжета которого лежит возможность нейтринной связи.

Группа исследователей из Военно-морской исследовательской лаборатории, опубликовавших в 1977 году в журнале Science статью «Связь с помощью нейтринных лучей» (Telecommunication with Neutrino Beams), преследовала более приземленные цели. Точнее, подводные, а именно — обеспечить связь с атомными подводными лодками на боевом дежурстве. Правда, уровень технологий того времени не позволял реализовать подобную систему на практике. Но с тех пор эта идея регулярно всплывает на страницах научных журналов, хотя возможности современных мюонных накопительных колец для генерации нейтринных пучков по-прежнему недостаточны для уверенной коммуникации. Возможно, что в будущем таким способом можно будет достичь скорости передачи информации от 1 до 100 бит в секунду.

В последние годы обсуждаются и более экзотические проекты. Например, сфокусированным нейтринным лучом просвечивать толщу Земли в поисках бункеров с ядерным оружием (и даже дезактивировать его запасы). Утверждается, что для выполнения первой задачи потребуются пучки с энергией частиц в 10 ТэВ, для второй — порядка 1 ПэВ (1015 эВ). Стоит ли упоминать, что и получение, и нацеливание таких пучков пока находятся далеко за пределами современных технологий.

Физик-теоретик из Fermilab Стивен Парк по просьбе «ПМ» рассказал о нескольких совсем уж фантастических нейтринных технологиях: «Если мы захотим связаться с цивилизациями по другую сторону нашей Галактики, то эту возможность нам могут предоставить только нейтринные пучки. Есть применения и на Земле: с помощью нейтринного телефона можно было бы передавать сообщения из США и Европы в Китай, Японию и Австралию на 15−20 миллисекунд быстрее, чем по обычным каналам, — напрямую через толщу Земли, а не по кабелям или спутниковой связи. Финансовые брокеры, имей они в своем эксклюзивном распоряжении подобную связь, могли бы делать огромные деньги!»

Хотя еще недавно казалось невероятным, что нейтрино могут найти практическое применение, сейчас эта идея уже не выглядит столь фантастически. В конце ХХ века появились детекторы, измеряющие с точностью до 1,5% плотность мощных нейтринных потоков с энергий частиц порядка нескольких МэВ. Сердечники тепловыделяющих элементов обычно изготовляют из смеси урана-235 и урана-238, которые в ходе цепных реакций деления испускают нейтроны и антинейтрино. Ядра урана-238 поглощают нейтроны и превращаются в ядра плутония-239, которые в свою очередь тоже вступают в цепную реакцию и опять-таки становятся источниками антинейтрино. Поскольку интенсивность выработки антинейтрино различными изотопами неодинакова, темпы генерации этих частиц изменяются с течением времени. Непрерывный мониторинг плотности нейтринного потока дает возможность судить о режиме работы реактора и концентрации различных изотопов в его активном ядре.

Физики из Ливерморской национальной лаборатории и лаборатории «Сандиа» разработали три опытных образца компактных детекторов антинейтрино. Их испытали на южнокалифорнийской ядерной электростанции San Onofre Nuclear Generating Station (SONGS). Эти счетчики регистрировали реакцию обратного бета-распада, с помощью которой группа Коуэна и Рейнеса впервые экспериментально подтвердила гипотезу Паули.

Первый детектор SONGS1 вступил в действие в конце 2003 года. Он был заполнен веществом с высокой концентрацией водорода, к которому был добавлен гадолиний, выполняющий ту же роль, что и кадмий в эксперименте Коуэна и Рейнеса. Рожденные обратным бета-распадом позитроны аннигилировали с электронами, а сопутствующие нейтроны поглощал гадолиний. Эти реакции влекли за собой парные вспышки гамма-лучей. Эти вспышки генерировались с интервалом в 30 микросекунд и регистрировались с помощью фотоумножителей. Из 1017 антинейтрино, ежедневно пронизывавших детектор, с протонами сцинтиллирующей жидкости сталкивалось всего 4000, и лишь 400 из них оставляли надежные «подписи». Установленные в 2007 году детекторы SONGS2 и SONGS3 тоже содержали гадолиний, однако в первом работал сцинтиллятор из твердого полимера, а во втором в этом качестве использовалась сверхчистая вода. Летом 2008 года детекторы демонтировали, и ученые взялись за анализ полученных результатов. В настоящее время создатели этих установок вместе с сотрудниками Чикагского университета разрабатывают нейтринные счетчики следующего поколения на аргоне и германии. Два таких детектора планируется установить уже в нынешнем году.