Текст книги "Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия"

Наука, подпитывавшаяся дружескими чувствами и немалой толикой алкоголя, активно развивалась. В 1979 году союз нескольких учреждений из США, Японии, Германии и Швейцарии представил успешное предложение Министерству энергетики США, и в первый день 1980 года в Гавайском университете был основан Гавайский центр DUMAND. Джон Лёрнд и Артур Робертс переехали в Гонолулу, чтобы полностью посвятить себя работе над проектом, и Джон занял должность технического директора.

По стечению обстоятельств Фрэнсис Халзен тоже приехал в Гонолулу летом 1980 года, чтобы поработать над одной проблемой, связанной с кварками, с коллегой-теоретиком по имени Сандип Пакваса. В городе были и другие нынешние и бывшие работники Мэдисона, конечно же, Лёрнд и Уго Камерини, приехавшие работать на DUMAND. Во время регулярных обедов в их компании Фрэнсис начал узнавать об активно развивавшейся области нейтринной астрономии. Тогда он все еще считал своей профессией физику частиц. По его словам, в те дни космическими лучами не стал бы заниматься ни один уважающий себя физик – специалист по частицам. Однако подобные оттенки самоуважения не особенно его интересовали. Он уже немного погружался в эту область в прошлом, работая с Дейвом Клайном, а теперь решил серьезно ей заняться. Хотя тогда он этого и не осознавал, но для подобной смены отношения к космическим лучам была своя причина – и эта причина была более или менее прямым следствием его поездки на Гавайи.

Кафедра физики Гавайского университета изыскала творческий способ профинансировать поездку Фрэнсиса. Коллеги попросили его заняться формальным преподаванием на «фальшивых» еженедельных семинарах, на которых не предполагалось чьего-либо присутствия. Идея ему понравилась, однако, когда он появился на первом занятии, оказалось, что «там присутствует вся кафедра. Я задумался: „И что теперь делать?“»

Решив пойти по пути наименьшего сопротивления, то есть заняться работой, он принялся за внимательное изучение текущего состояния физики элементарных частиц. Оказалось, что объем работы был намного больше, чем он предполагал. Занимаясь подготовкой к лекциям, Фрэнсис понял, что сейчас критически важный момент развития области, и многие открытия последних десятилетий возникали настолько быстро одно за другим, что у ученых, занимавшихся физикой частиц, не было никакой возможности внимательно с ними ознакомиться и использовать в собственной работе.

Я решил объединить в единую систему ряд проблем, известных в наши дни под названием стандартной модели. Понятно, что не я изобрел стандартную модель, но оказалось, что этой работой до сих пор никто не занялся.

Вернувшись в Висконсин, Фрэнсис продолжил свои лекции, предназначенные в основном для сотрудников кафедры. Затем он узнал, что один из его давних соратников, Алан Мартин из британского Дарнэма, тем же летом читал тот же курс, причем, на взгляд самого Фрэнсиса, намного успешнее, чем он сам. Двое ученых встретились и написали учебник с названием Quarks and Leptons, который и сейчас, через 35 лет, остается самым популярным введением в квантовую механику в курсах физики по всему миру. Книга была переведена на многие языки.

Интересно, что у книги не было обновленных переизданий, и в этом звучит ясное послание: печальная истина состоит в том, что с момента ее написания в физике частиц не произошло никакого существенного развития. К моменту публикации книги все частицы, предсказанные стандартной моделью, за исключением одной (бозона Хиггса), уже были открыты.

Халзен и Мартин завершили работу над рукописью в Дарнэме незадолго до Рождества 1982 года. Затем Фрэнсис отправился в Бельгию, чтобы провести праздник со своей семьей. Рукопись лежала рядом с ним на пассажирском сиденье его «фольксвагена сирокко». После праздника он полетел в Японию, чтобы помочь с запуском программы для аспирантов Токийского университета, а когда он сошел с самолета, ему сообщили, что Карло Руббиа, Дейву Клайну и их коллегам в ЦЕРН удалось открыть W- и Z-бозоны – переносчики слабого взаимодействия (Халзен, Мартин и Вернон Баргер проделали важную феноменологическую работу, позволившую совершить это открытие, и Руббиа признал их вклад в своей нобелевской лекции²³⁴).

W и Z были последними из еще не открытых к тому моменту частиц в стандартной модели, за исключением бозона Хиггса, но они – а также частица Хиггса – уже были описаны в учебнике.

Таким образом, в начале 1983 года, больше трех десятилетий назад, физики, работавшие с ускорителями, поняли, что вступают в своего рода пустыню: единственным возможным открытием на горизонте была частица Хиггса, но для ее открытия требовался намного более мощный ускоритель – и намного более дорогой, – чем тот, благодаря которому Руббиа принес ЦЕРН первую Нобелевскую премию. Между сообществами физиков США и Европы начала ощущаться нездоровая конкуренция. Американцы начали проектировать Сверхпроводящий суперколлайдер (программа, которая в конце концов завершилась дырой в техасской прерии, в которую ухнули два миллиарда долларов). А европейцы во главе с прославившимся теперь Руббиа начали строительство Большого адронного коллайдера. По изначальному плану Руббиа строительство должно было завершиться в 1991 году, но коллайдер начал свою работу лишь с двадцатилетним опозданием.

За 30 с лишним лет, прошедших с момента открытия частиц W/Z, сообщество, занимавшееся физикой частиц, отчаянно искало экспериментальные свидетельства для любого развития физики за пределами стандартной модели. Самые очевидные надежды были связаны с суперсимметрией, предполагавшей наличие тяжелых «братьев» и «сестер» для каждой частицы в модели, а также теорией струн, вряд ли способной на какие-либо экспериментальные прогнозы. Руббиа, Клайн и их друзья занимались поисками суперсимметричной частицы уже в начале 1980-х, в процессе изучения W и Z (можно даже сказать, что их больше интересовала суперсимметрия, чем частицы, которые они в итоге нашли), – однако эти поиски не увенчались успехом²³⁵. Поэтому в наши дни ученым, управляющим Большим адронным коллайдером, остается разводить руками. Основную надежду им, как и их предшественникам 30 с лишним лет назад, приходится возлагать на суперсимметрию.

Хотя открытие частицы Хиггса в 2012 году и стало огромным триумфом, на момент написания этой книги деятельность БАК и данные, которые получают с его помощью, не сулят нам никаких новых сюрпризов. Все происходящее соответствует стандартной модели. Как писал Гэри Тобес, автор книги Nobel Dreams, в 1986 году,

если в этой пустыне нет никакой жизни, никаких новых частиц, то вряд ли у нас появится больше свидетельств, на базе которых мы могли бы выстроить новые теории. Прогресс завершится. Стандартная модель останется стандартной еще на долгие годы.

Как я уже указал в первой главе этой книги, на данный момент был вскрыт всего один замок на сундуке стандартной модели – замок, связанный с поведением нейтрино. Более того, он был открыт не на ускорителе, а с помощью подземного грейзеновского детектора нейтрино и UNDINE. Чуть позже я расскажу об этом подробнее.

* * *

Одно из прозвищ Фрэнсиса Халзена – «самое быстрое перо на Западе». Впервые он погрузился в область нейтринной астрономии в свободное время в ходе своей поездки на Гавайи в 1980 году. Он предоставил теоретическую работу²³⁶ на крупный симпозиум DUMAND ²³⁷, организованный тем же летом Джоном Лёрндом в Гонолулу. В работе содержались расчеты количества и спектра энергии мюонов, которые данный инструмент мог найти в высокоэнергетических космических лучах.

В симпозиуме участвовали и другие теоретики, в том числе выдающиеся русские ученые. Одна из целей Лёрнда состояла в том, чтобы создать у профессионального сообщества заинтересованность, а теоретическая работа, опирающаяся на эксперимент, обычно в таких случаях помогает. Однако Джон думает, что Фрэнсис подержал DUMAND не только своей феноменологической работой, но и тем, что постоянно рассказывал о DUMAND в ходе своих многочисленных выступлений по всему миру. Это – важная форма научного «перекрестного опыления», поскольку в ходе таких путешествий все участники могут узнать что-то новое. Боб Морс говорит:

Фрэнсис наверняка пришел бы в бешенство, услышав эти мои слова, но ведь Фрэнсис – это наш новый Дейв Клайн. Дейв так же мотался туда и сюда, подлетал к каждому цветку, переносил с собой пыльцу, разбрасывал ее повсюду, а затем делился с нами новостями. Фрэнсис делает то же самое.

* * *

К сожалению, тонкие ростки сотрудничества, начавшие пробиваться в годы холодной войны, вскоре были грубо выдернуты из земли. В декабре 1979 года, менее чем за месяц до начала финансирования DUMAND, СССР вторгся в Афганистан, а после президентских выборов в США в ноябре 1980 года Джимми Картера сменил более воинственный Рональд Рейган. Артур Робертс рассказывает, что

разрыв связей с русскими был произведен элегантно и в хорошем стиле²³⁸. Нам конфиденциально сообщили, что мы, конечно, вольны выбирать себе партнеров, но при продолжении работы с советскими учеными может оказаться так, что для нас не найдется финансирования.

«Мы держали каналы открытыми и оставались друзьями, – добавляет Лёрнд, – однако больше не могли работать вместе». Возможно, для русских эта неприятность обернулась большим благом.

Глава 6
Наука в своем лучшем виде

Участники проекта DUMAND сразу начали мыслить масштабно (возможно, слишком масштабно). Изначальная концепция требовала создания массива детекторов объемом 1,6 кубических километра, расположенного в Тихом океане на глубине пяти километров, в 30 км от ближайшего берега. Он должен был состоять из 1200 с лишним «бисерных нитей», по 18 оптических детекторов на каждой, то есть всего более 23 000 детекторов. Каждая «бусина» представляла собой стеклянную сферу, способную выдерживать давление в 500 атмосфер. Внутри сферы располагался фотоэлемент и связанная с ним электроника. Стоимость одних лишь фотоэлементов достигала 70 миллионов долларов²³⁹. Нити должны были удерживаться у дна океана с помощью якорей и оставаться вытянутыми с помощью поплавков в их верхней части. В проекте планировалось использовать оптико-волоконные кабели для передачи электрических сигналов на берег, хотя на тот момент необходимая технология еще не была изобретена. Артур Робертс отмечает, что «океанографы были просто поражены – этот проект был в сотни раз масштабнее любого другого мирного океанского проекта»²⁴⁰.

В конце концов участникам DUMAND так и не удалось закрепить хотя бы одну функционирующую нить на дне океана. Первая была утеряна в 1982 году, когда при погружении в воду не выдержал кабель, на котором держались детекторы (несмотря на то, что он был рассчитан на в 20 раз бÓльшую нагрузку). Причиной аварии стала так называемая нагрузка рывком (snap loading): если троc с детекторами уже находится на определенной глубине и в этот момент судно-кабелеукладчик вдруг резко поднимается на волне, трос не успевает подняться за ним, поскольку сферы оптических модулей испытывают сильное сопротивление воды – примерно так же, как обычный якорь²⁴¹. Вторую нить потеряли в 1985 году, «когда не сработали взрывающиеся болты, которые должны были освободить ее в конце запланированного срока пребывания на дне океана»²⁴².

Столкнувшись с реалиями глубоководной гидроинженерии и резким ростом издержек, изначально запланированный рабочий объем проекта начал быстро уменьшаться (одна из глав истории проекта, написанной Робертсом, называется «Невероятно усыхающий массив»). Исследователи разработали запасные концепции меньшего размера – MICRO, MINI и MIDI DUMAND, самая маленькая из этих конструкций состояла всего из 19 нитей.

Министерство энергетики с присущей ему мудростью профинансировало лишь одно технико-экономическое исследование по проекту. В 1982 году министерство отвергло предложение строить массив из 36 нитей и рекомендовало вместо этого обойтись лишь одной нитью, которая к тому же должна была просто свешиваться с палубы корабля, а не стоять на якоре на дне океана. Через семь лет после старта проекта, в 1987 году, наконец удалось установить так называемую короткую нить-прототип²⁴³, состоявшую всего из семи оптических модулей, и начать эксперимент, по сути дела, бывший более раскрученной версией экспериментов, которые Лёрнд проводил для своей диссертации еще 20 лет назад. В результате было собрано 38 часов данных, полученных на пяти разных глубинах, от 2 до 4 км, и демонстрировавших зависимость интенсивности направленных вниз атмосферных мюонов от глубины²⁴⁴. Также получилось создать примерный профиль углового распределения мюонов. Министерство энергетики посчитало это достаточным успехом для того, чтобы профинансировать в 1989 году создание массива из девяти нитей (этот проект назывался DUMAND-II).

Тем временем русским удалось добиться значительного прогресса. Примерно в то же самое время, когда в США обсуждался вопрос финансирования DUMAND, Академия наук СССР организовала для нужд байкальского проекта специальную лабораторию в московском Институте ядерных исследований и назначила ее руководителем Григория Домогацкого – того самого теоретика, что в ночи выдавал советские рубли американским хиппи.

И сам Домогацкий, и его ведущий экспериментатор Леонид Безруков предпочитали консервативный подход во всем, начиная с выбора площадки. В их распоряжении были меньшие глубины, примерно километровые, и они предпочли расположить площадку лишь в 3,5 км от берега – примерно одна десятая соответствующей дистанции у DUMAND. На такой малой глубине направленные вниз мюоны буквально кишели, зато сравнительно небольшой масштаб делал проект более управляемым. Кроме того (что оказалось критически важным впоследствии), в течение тех месяцев, когда Байкал был скован льдом, ученые могли не только ходить по своей экспериментальной площадке, но и перевозить по ней тяжелое оборудование.

Наука в России и до сих пор считается достаточно почетным занятием, и байкальский эксперимент в то время был одним из самых важных в области физики. Полевая штаб-квартира проекта до сих пор располагается на заброшенной железнодорожной станции на одной из тупиковых веток Транссибирской магистрали.

В этих местах нет автомобильных дорог. Летом сюда можно добраться лишь на поезде или на лодке. Зимой, когда Байкал замерзает, к станции можно проехать по льду озера из города Листвянка, расположенного на северном берегу Ангары примерно в 50 км к северо-востоку. До 1997 года, когда немецкие участники проекта установили на станции спутниковое оборудование, там не было интернета – единственной связью с внешним миром оставалась старомодная телефонная линия, протянутая вдоль железнодорожной колеи еще в 1930-е годы.

Исследователи живут в небольших деревянных домиках с дровяными печами (чаще всего используются березовые дрова). Водопровода в домиках нет. На станции имеется сауна с ручным водяным насосом, она также отапливается дровами, и каждую субботу обитатели станции моются здесь в несколько смен, поливая водой раскаленные камни в парилке и расслабляясь в клубах пара. Часто по вечерам слышны песни под гитару, и если еда в целом не заслуживает особых похвал, то каждое утро на станции пекут вкуснейший свежий хлеб.

Обслуживание датчиков происходит в марте и начале апреля, когда лед на озере достигает максимальной толщины. Во льду бурят отверстия, а затем ученые вытягивают через них нити со дна озера для ремонта, проверяют их, закрепляют новое оборудование, а затем телескоп вновь погружается на глубину. На последнем этапе ученые связывают вместе кабели, которые использовались для погружения нити, прикрепляют к ним поплавок и опускают под лед. В теплые месяцы поплавок с кабелями будет свободно висеть под поверхностью воды, пока телескоп собирает данные (эти данные затем передаются на берег с помощью кабеля, проложенного по дну озера). Перед началом очередной сезонной проверки водолазы в гидрокостюмах сухого типа опускаются в прорубь и прицепляют к поплавку специальный линь, с помощью которого поплавок вытянут на поверхность.

Каждую весну ученые отмечают выпуск поплавка в ходе церемонии, чем-то похожей на традиционные русские похороны. Один человек стоит на льду рядом с прорубью для установки нити, держа в руках бутылку водки и небольшой стеклянный стаканчик, а остальные по очереди проходят мимо него. Каждому наполняют стакан, он выплескивает несколько капель в прорубь – это дань Бурхану, богу Байкала, – а затем выпивает остаток водки. За этой церемонией следуют баня и вечеринка. (Как-то я спросил у Ральфа Вишневски, одного из немецких участников проекта, окунаются ли они в озеро перед баней? «Некоторые окунаются, да, – ответил Ральф. – Но только нечаянно».)

Как-то раз Кристиан Шпиринг показал мне несколько фотографий с одной из этих церемоний закрытия сезона. На одной из них несколько совершенно голых ученых купаются в сугробах возле бани. На других фото они же стоят на льду на фоне бурых, покрытых лесом сопок, в окружении тяжелой техники и огромных мотков кабеля, или лежат на животах вокруг проруби и смотрят в черную воду сквозь самодельные, неуклюжие водолазные маски. Вот ученые в бесформенной зимней одежде и типичных русских шапках-ушанках с загнутым вверх козырьком и опущенными длинными ушами возятся с электроникой или колдуют над компьютерами внутри каких-то ящиков, напоминающих хижины, которые строят для себя любители подледного лова. На одной фотографии Григорий Домогацкий пристально смотрит в камеру из-под ушанки. Он кажется строгим и собранным даже в мешковатой зимней одежде. Его глаза светятся умом, а из уголка рта торчит папироса.

* * *

Русские ученые методично делали свое дело²⁴⁵. В 1981 году они провели предварительные тесты с отдельными фотоэлементами. На следующий год они опустили детектор ближе ко дну и измерили уровень природной люминесценции озерной воды – источника иллюзорного света, который ограничивает чувствительность детектора (ничего подобного нет у льда). В 1983 году – за четыре года до старта DUMAND – они опустили собственный аналог «короткой нити-прототипа» с неподвижной ледяной платформы и собрали данные за несколько дней. На следующий год они поместили нить на дно, подключили ее к оборудованию на берегу и обнаружили первые атмосферные мюоны. Тогда же они столкнулись с парой неудач. В поплавке, удерживавшем нить в вертикальном положении, обнаружилась течь, поэтому через полтора месяца он утонул, а еще через десять дней электроника сгорела от удара молнии в озеро.

В 1998 году на семинаре на тему компьютерного моделирования нейтринных телескопов, проходившем в немецком городе Цойтен, я поговорил с руководителем байкальской группы в Иркутском государственном университете – теплым и мягким человеком по имени Николай Буднев. С помощью нескольких набросков в моем блокноте он описал хитроумный метод, который они использовали для того, чтобы поднять утонувшие и поврежденные молнией нити. Для этого они придумали устройство, чем-то напоминавшее оконный вентилятор. Лопасти пропеллера, помещенного внутрь небольшой рамки, были скошены таким образом, что, будучи погруженным в воду и включенным, он описывал, опускаясь в глубину, большую спираль. Подплыв на лодке к месту, где они в прошлом апреле опустили нить в озеро, они присоединили к своей конструкции гибкий кабель, включили вентилятор и погрузили его в воду с помощью лебедки. Пока их механическая «рыба» опускалась все глубже, кабель раскручивался за ней по спирали, окружая висящую в глубине пострадавшую нить. Затем ученые переключили лебедку в обратное положение, кабель затянулся вокруг нити, и его вытащили на поверхность.

Возможно, что этот разительный контраст между простым и низкотехнологичным подходом советских ученых и сложным высокотехнологичным подходом американцев объясняет, почему советский проект преуспел, а американский потерпел неудачу.

В 1986 году ученые на Байкале наконец начали заниматься физикой. Они определили границы для существования магнитных монополей с помощью нити, снабженной поплавками улучшенной конструкции и защитой от молний (монополь, о существовании которого впервые подумал Дирак в 1931 году, – это экзотическая частица, существование которой еще предстоит подтвердить: она представляет собой субатомный магнит с единственным полюсом²⁴⁶. В теории, если нечто подобное существует, то при прохождении неподалеку от черенковского детектора оно должно создавать сильный сигнал. Это стало одной из причин, по которым байкальская группа сочла возможным искать монополи с помощью всего одной нити).

Эти первые исследования позволили развеять сомнения относительно того, может ли работать километровый инструмент в озере со сравнительно небольшой глубиной. Поскольку до такой глубины доходит больше направленных вниз мюонов, ученым становится сложнее выделить в этом потоке мюоны, направленные вверх.

В 1987 году – в том же году, когда американцы установили свою «короткую нить-прототип» и получили добро на создание DUMAND-II, Академия наук СССР санкционировала долгосрочные исследования на Байкале и увеличила финансирование проекта. В следующем году русские получили важное подкрепление: к проекту согласилась присоединиться группа под руководством Кристиана Шпиринга из восточногерманского Института физики высоких энергий в Цойтене под Берлином.

Гонка началась.

1987-й стал годом настоящего водораздела для нейтринной астрономии. Как ни удивительно, но один из самых серьезных импульсов возник благодаря работе UNDINE – грейзеновского инструмента оболочкового типа, от которого не ожидалось никаких астрономических открытий. Инструмент вернули из мрака забвения десятью годами раньше для совершенно иных целей.

Еще в 1974 году два гарвардских теоретика, Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу, выдвинули одну из первых заслуживающих внимания теорий великого объединения, призванную объединить четыре фундаментальные силы природы²⁴⁷. Это была высокая цель. Достаточно сказать, что Альберт Эйнштейн провел последние 30 лет своей жизни, пытаясь объединить электромагнетизм и гравитацию, однако, по оценкам коллег, потерпел поражение.

Теория Джорджи и Глэшоу, сегодня известная в мире физиков под названием SU(5), представляла собой попытку объединить слабое взаимодействие, сильное взаимодействие и электромагнитную силу; она полностью игнорировала гравитацию. Название теории – это сокращение словосочетания special unitary group of degree 5 («специальная унитарная группа пятого порядка»). Понятие унитарной группы активно используется в теории групп – одном из ответвлений математики, которое элегантным образом задействует все формы симметрии и представляет собой один из самых мощных и эстетически привлекательных инструментов в современной физике. К примеру, Вольфганг Паули использовал теорию групп при доказательстве своей CPT-теоремы, или симметрии «сильного отражения», в 1950-е годы²⁴⁸.

Потребовалось несколько лет для того, чтобы наука восприняла идеи SU(5). Самым удивительным в этой теории была мысль о том, что протон, который прежде считался совершенно стабильным, все же может распасться в течение какого-то невероятно долгого времени – то есть, как однажды выразился Глэшоу, «алмазы не вечны»²⁴⁹. Из этого следовал еще более масштабный вывод: вся материя во Вселенной способна со временем распасться на гигантское море элементарных частиц. В 1979 году Глэшоу, Стивен Вайнберг из Гарварда и Абдус Салам из Имперского колледжа в Лондоне разделили Нобелевскую премию по физике за свои успехи в объединении слабых и электромагнитных сил, и к этому времени новая теория уже была использована для расчета срока жизни протона: оказалось, что это примерно от 10²⁷ и 10³² лет ²⁵⁰. Впрочем, это вряд ли способно сказаться на качестве вашего кольца с бриллиантом или вашего здоровья и благосостояния, поскольку даже нижняя из этих временны́х границ примерно в 100 миллионов миллиардов раз превышает возраст Вселенной. Однако совершенно удивительно, что подобный временной диапазон оказался доступен экспериментальной оценке. Джон Лёрнд рассказывает:

Все это было вполне понятно. Если идея верна, мы сможем доказать ее с помощью детектора низких энергий. Поняв эту странную и интересную связь, мы тут же достали чертежи UNDINE.

В течение нескольких следующих лет сразу несколько участников первой гавайской конференции DUMAND в 1976 году предложили построить UNDINE или другой детектор грейзеновского типа для поисков следов распада протона. Лёрнд продолжает:

Сабуро Мияке рассказывал мне, что он предложил конструкцию подобного детектора Масатоси Косибе, который впоследствии разработал идею японского детектора Камиока. Удивительно, но DUMAND, или базовая идея, лежащая в его основе, стала до известной степени прародителем этой параллельной серии экспериментов, идущих и по сей день. Это очень приятно, и мне нравится это подчеркивать.

Дейв Клайн – как обычно, опережавший остальных на несколько шагов – в 1978 году провел в Висконсине первую в истории встречу на тему распада протонов. Фред Рейнес, присутствовавший на конференции, решил внимательнее присмотреться к этому вопросу, пусть даже в ущерб своему участию в работе DUMAND.

В мае 1979 года группа Рейнеса в Ирвайне, объединив силы с группами из Мичиганского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории, предложила построить 10 000-тонный детектор оболочкового типа, или в стиле UNDINE, и разместить его на глубине 600 метров в соляной шахте Мортон-Токол на берегу озера Эри. Ученые назвали свою коллаборацию аббревиатурой IMB, в честь учреждений – участников проекта.

Как и в случае с нейтрино, ключом здесь был размер детектора: если срок жизни протона составляет 10³² лет, значит, у 10³² протонов (примерно такое количество протонов содержится в ста тоннах воды) будет в среднем одно событие распада в год. Следовательно, в 10 000-тонной емкости должно происходить около ста таких событий в год. Теория утверждала, что протон чаще всего будет распадаться на позитрон и нейтральный пион, которые затем будут разлетаться в противоположных направлениях. Позитрон должен был отправлять конус черенковского излучения к одной из стенок детектора, а пион распадался дальше на два гамма-луча, каждый из которых создавал пару электрон-позитрон. Эти пары должны были образовывать множество черенковских колец на противоположной стене. Такая довольно характерная форма света могла служить признаком распада протона и позволяла отличить эти события от деятельности атмосферных мюонов, проходящих сквозь детектор сверху (влияние таких мюонов сводится к минимуму, если детектор помещен так глубоко под землю), и от возникающих время от времени внутри емкости нейтринных взаимодействий. Иными словами, нейтрино в рамках данного эксперимента представляли собой скорее побочный эффект; они были отодвинуты на задний план. В какой-то момент Рейнес сравнил раздражающий фоновый шум в эксперименте IMB с «ураганом, во время которого вы пытаетесь расслышать комара»²⁵¹.

Японский проект под руководством Масатоси Косиба получил название «Камиоканде» (сокращение слов «Эксперимент по ядерному распаду в Камиоке»). Инструмент был размещен на глубине одного километра в цинковой шахте, принадлежавшей компании Kamioka Mining and Smelting Company, в недрах одной из гор в Японских Альпах. Он был меньше по размерам и чувствительности, чем IMB, – 3000 тонн воды против 8000. Кроме того, IMB удалось запустить намного быстрее.

Тем не менее Дейву Клайну, Карло Руббиа и Джиму Гайдосу из Университета Пердью (еще одному выпускнику Мэдисона) удалось обогнать обе группы своих конкурентов с помощью небольшого и простого в реализации эксперимента. Они поместили свое устройство на глубине 600 метров в серебряном руднике в Парк-Сити, штат Юта. Как и в случае IMB, проект был назван аббревиатурой HPW в честь занимавшихся им научных учреждений: Гарварда, Пердью и Висконсина. В той или иной форме в проекте HPW участвовали все коллеги Клайна по CCFMR, включая Боба Морса, который впоследствии стал руководителем исследований в проекте AMANDA.

В сущности, это было первым знакомством Боба с физикой космических лучей. Впоследствии проект AMANDA с помощью Боба унаследует не только методы, но даже часть оборудования HPW. Кроме того, Морс стал своеобразным «потомком» Кеннета Грейзена: научный руководитель докторской диссертации Боба Уильям «Билл» Уокер получил собственную докторскую степень в Корнелльском университете под руководством этого великого человека. «И знаете, эта родословная для меня очень важна, – говорит Боб. – Значит, у меня есть связь с Уокером, а у того – с самим Кеном Грейзеном из Корнелла. А Грейзен, считай, человек, умевший ходить по воде».

В типичной для Карло и Дейва манере, – продолжает Боб, – они собирались построить небольшой, недорогой и довольно грубый детектор примерно на 800 тонн воды, и если срок жизни протона до распада действительно составляет примерно 10³² лет, значит, мы этот распад увидим. Это был рискованный эксперимент, но с потенциально большой отдачей. Мы решили сделать ставку – и проиграли.

Отчасти неудача была связана с серьезной ошибкой в конструкции детектора. Фотоэлементы размещались не только в оболочке вокруг зоны обнаружения, но и внутри нее. Кроме того, в конструкции использовались зеркала. Они были призваны улавливать мельчайшие элементы света после распада, чтобы измерить его общую энергию, однако в результате этого становилось невозможным восстановить конус черенковского излучения, поэтому вся информация о направлении просто терялась.

Как-то я спросил Боба, была ли от HPW какая-то польза. Морс надолго замолчал… «Не думаю, – сказал он наконец, – если не считать того, что мы узнали о наличии в этой шахте огромных запасов тория. Торий радиоактивен… И поэтому между всеми проводами и зеркалами внутри емкости царил полный хаос!» Не кто иной, как Шелдон Глэшоу объявил эксперимент «безусловной неудачей»²⁵².

Ни HPW, ни IMB, ни Камиоканде не удалось найти достоверных следов распада протона (Морис Голдхабер из Брукхейвена как-то заметил, что IMB «нашел нескольких кандидатов, однако ни один из них в итоге не был отобран»²⁵³). Тем не менее каждый из них представлял собой шаг вперед.

На философском уровне наука не может доказать факта отсутствия чего-либо: как говорил Карл Саган, «отсутствие доказательства не является доказательством отсутствия». Однако даже если ваш эксперимент будет иметь нулевой результат, вы можете использовать степень чувствительности ваших инструментов для расчетов вероятности того, что предмет вашего изучения действительно когда-либо будет обнаружен. Так что, хотя эти эксперименты не зафиксировали следов распада протона, они все равно позволили добиться прогресса и установить новые границы минимального срока жизни частиц.