нейтрино образовались в процессе термоядерных реакций в недрах звезд и взрывов сверхновых. Как справедливо говорится в любой популярной книге по астрономии, каждую секунду через каждый квадратный сантиметр нашего тела практически беспрепятственно проходят миллиарды нейтрино, не оставляя при этом никакого следа.

Но, возможно, это еще не все виды нейтрино. Не исключено, что существует еще и четвертый тип нейтрино, которые еще труднее обнаружить. Как и частицы трех известных типов, четвертое нейтрино должно быть электрически нейтральным. Но в отличие от электронного, мюонного и тау-нейтрино новый вид частиц может оказаться невосприимчивым даже к слабому взаимодействию и поэтому вообще не взаимодействовать с другими частицами. И в отличие от известной тройки это «стерильное» нейтрино может оказаться тяжеловесом среди элементарных частиц – достаточно массивным, чтобы претендовать на роль подходящего кандидата в темную материю2.

Первые намеки на проблемы с классическим представлением о нейтрино появились еще в 1960-х годах. Физику Реймонду Дейвису из Брукхейвенской национальной лаборатории удалось зарегистрировать солнечные нейтрино – электронные нейтрино, которые образуются в процессе термоядерных реакций в солнечном ядре. Это было сделано на установке в золотом руднике Хоумстейк в Южной Дакоте – той же самой подземной лаборатории, где находится детектор темной материи LUX-ZEPLIN. Правда, результаты оказались весьма неоднозначными – установка с резервуаром, заполненном используемой в химчистке жидкостью, зарегистрировала меньше половины предсказанного теорией количества электронных нейтрино.

Ученые тут же придумали решение проблемы солнечных нейтрино. А что, если, как предположил еще в 1957 году итальянский физик Бруно Понтекорво, за время их 8,3-минутного пути из солнечного ядра до лаборатории в Хоумстейке нейтрино успевают сменить тип? В этом случае многие из порожденных в процессе термоядерной реакции электронных нейтрино долетают до Земли уже в виде мюонных или тау-нейтрино, которые установка Дейвиса не способна регистрировать. Такого рода нейтринные осцилляции были непосредственно зарегистрированы только в 1998 году в ходе эксперимента на детекторе «Супер-Камиоканде» и в 2001-м на канадской нейтринной обсерватории в Садбери3.

Нейтринные осцилляции позволяют решить проблему солнечных нейтрино, но при некотором условии. Согласно специальной теории относительности, такого рода «изменение личности» элементарной частицы возможно только при наличии у нее хотя бы очень малой массы. А значит, со Стандартной моделью что-то не в порядке, поскольку, согласно этой теории, нейтрино, как и фотоны, не имеют массы. К тому же, если принять, что у нейтрино есть отличная от нуля масса, то сразу возникает другой вопрос – чему же она равна?

И вот тут свою роль может сыграть эксперимент KATRIN. К настоящему времени имеется много данных, свидетельствующих о том, что нейтрино должны быть в сотни тысяч раз легче электронов, а KATRIN – самая чувствительная установка для выполнения такого рода измерений. Понятно, что это непростая задача – уж никак не для настольного прибора. Установка занимает пару больших неокрашенных лабораторных корпусов, включая громадный зал с размещенным в нем спектрометром в форме дирижабля4.

Принцип работы установки KATRIN довольно простой. Радиоактивный тритий – тяжелый изотоп водорода – распадается на гелий‑3, электронное нейтрино и электронное антинейтрино. В соответствии с законом сохранения энергии суммарная кинетическая энергия этих двух частиц может составлять не более 18,57 кэВ – эта величина достигается в тех редких случаях, когда ядро гелия‑3 оказывается совершенно лишенным кинетической энергии. Поэтому если измерить распределение энергии испускаемых при распаде трития электронов, то естественно ожидать, что самые быстрые из них должны иметь энергии близкие к этому максимальному значению. Небольшое отличие максимальной зарегистрированной энергии от этого значения равно кинетической энергии порождаемых при распаде трития антинейтрино, откуда нетрудно рассчитать их массу, которая равна массе обычных электронных нейтрино.

Несмотря на принципиальную простоту, осуществить этот эксперимент на практике оказалось очень трудной задачей, в частности из-за радиационной опасности трития. Единственная европейская лаборатория, имеющая лицензию на работу с этим сильно радиоактивным газом, – это Тритиевая лаборатория в Карлсруэ. Источник трития приходится охлаждать до температуры всего 30 градусов выше абсолютного нуля, а для того, чтобы направить электроны в спектрометр, требуются сверхмощные сверхпроводящие магниты, чтобы создать поле, в 100 000 раз превосходящее по силе магнитное поле Земли. Это самая настоящая лавина – каждую секунду в огромный вакуумный резервуар врываются около 100 миллиардов электронов.

После попадания в резервуар отрицательно заряженным электронам приходится двигаться «против» сильного электрического поля с разностью потенциалов около 20 000 вольт. Большинство электронов замедляются, останавливаются и возвращаются обратно. И только самые энергичные – может быть, один из триллиона – оказываются способны добраться до чувствительных детекторов на противоположной стороне спектрометра. Путем тщательной настройки напряженности электрического поля удается измерить количество электронов с энергиями вблизи максимального значения 18,57 кэВ.

Кроме множества инженерных проблем, при реализации проекта KATRIN пришлось также решить очень непростую логистическую задачу. Спектрометр был изготовлен немецкой компанией по производству стальных конструкций MAN DWE GmbH, расположенной в Деггендорфе, примерно в 400 километрах к востоку от Карлсруэ. Но спектрометр оказался слишком большим для транспортировки дорожным транспортом, и поэтому пришлось осуществлять его доставку по воде кружным путем длиной 8600 километров. Осенью 2006 года 200-тонная громадина размером с кита отправилась сначала вниз по Дунаю, затем по Черному морю, далее через Босфор в Средиземное море. Потом спектрограф прошел Гибралтарский пролив и двинулся на север вдоль Атлантического побережья, прошел через Ла-Манш и прибыл в порт Роттердама. Далее по Рейну груз был доставлен в Леопольдсхафен, откуда отправился в завершающую – и самую зрелищную – семикилометровую часть пути по дороге.

В сентябре 2019 года на Международной конференции по космомикрофизике и подземной физике в Тояме (Япония) участники проекта KATRIN представили результаты первого сезона научных наблюдений, согласно которым масса нейтрино меньше 1,1 эВ (для сравнения – масса электрона составляет 511 000 эВ)5. Ожидается, что будущие наблюдения позволят измерять еще меньшие массы – вплоть до 0,2 эВ. Пока что ведутся работы по усовершенствованию установки KATRIN с тем, чтобы она могла регистрировать стерильные нейтрино (если таковые существуют), которые, напомню, совсем никак не взаимодействуют с другими элементарными частицами.

Ну а почему же физики считают возможным существование до сих пор не обнаруженного вида нейтрино? Все сводится в основном к двум теоретическим соображениям. Во-первых, существование массивного нейтрино позволило бы естественным образом объяснить, почему три известных вида нейтрино имеют настолько невероятно малую массу. Дело тут в сложной концепции смешивания нейтрино, согласно которой нейтрино представляет собой постоянно меняющуюся («осциллирующую») комбинацию разных «массовых собственных состояний», – в случае существования еще и четвертого, гораздо более массивного «собрата» гораздо легче понять, почему электронное, мюонное и тау-нейтрино имеют почти, но не совсем нулевые массы.