Поймать нейтринный ветер: почему самый слабый сквозняк во Вселенной требует невозможного

В первые секунды после Большого взрыва Вселенная оставила нам не только свет, но и нечто гораздо более неуловимое — реликтовый нейтринный фон. Это эхо мироздания пронизывает каждый кубический сантиметр, но мы его почти не замечаем. Ещё Жорж Леметр предположил, что Вселенная расширяется, Эдвин Хаббл подтвердил это наблюдениями, а Ральф Альфер описал, как в горячем начале рождались первые ядра. Нейтринный фон — живой свидетель тех событий, и теперь учёные хотят не просто зафиксировать его, но и уловить тончайшее дуновение «нейтринного ветра». Словно корабль, рассекающий океанскую гладь, наша Земля движется сквозь этот нейтринный газ со скоростью 370 км/с — примерно 0.12% от скорости света. Встречный ветер должен быть чуточку сильнее попутного, и в этом кроется ключ к секретам мироздания.

Новая теоретическая работа как раз и прикинула, насколько же хрупок этот ветер. Учёные рассмотрели метод захвата нейтрино на ядрах трития — сверхтяжёлого водорода — и выяснили, что амплитуда дипольной анизотропии, та самая неравномерность из-за нашего движения, составляет исчезающе малую долю от общего фона. Для дираковских нейтрино с массой около 0,1 эВ она равна примерно 0,001, а для майорановских — в тысячу раз меньше. Разница, словно вы пытаетесь расслышать, с какой стороны подул самый тихий зефир, стоя внутри ревущего урагана.

Дальше — больше. Расчёты спектроскопического анализа тритиевого сигнала показали: чтобы достоверно зарегистрировать этот диполь, потребуется экспозиция в 100 000 раз большая, чем для простого обнаружения нейтринного фона. Если изотропный фон можно поймать примерно за 100 г·лет (произведение массы мишени на время наблюдения), то для ветра нужно уже 10^7 г·лет при отличном энергетическом разрешении. А если разрешение не дотягивает до идеала — требуемая экспозиция взлетает до 10^20 г·лет. Это как пытаться определить направление океанского течения, измеряя разницу в давлении воды на корпус, сравнимую с весом пары бактерий.

Однако игра стоит свеч. Дело в том, что дираковские и майорановские нейтрино по-разному взаимодействуют с веществом, и дипольная анизотропия — один из немногих реальных способов различить две фундаментальные природы этой частицы. Ответ на вопрос, является ли нейтрино своей собственной античастицей, определит, почему Вселенная наполнена материей, а не равной смесью с антиматерией. Кроме того, нейтринный ветер мог бы стать независимой проверкой космологических параметров и указать на следы гравитационного кластерирования, предсказанного тёмной материей.

Сейчас задача кажется почти невыполнимой — как мечта моряка пересечь океан на доске. Но прогресс неумолим. Криогенные болометры, графеновые мишени, поляризованные ядра, возможно, будущие космические обсерватории — всё это когда-нибудь позволит услышать нейтринный ветер. Потребуется точность калибровок не хуже, чем у космического телескопа Хаббл, и подавление фона от чёрных дыр, которые могут генерировать собственный дипольный шум. Подобно тому, как открытие гравитационных волн растянулось на столетие от предсказания до триумфа LIGO, охота за нейтринной анизотропией станет крестовым походом физики XXI века. И в конце пути мы обретём компас, указывающий не на страны и континенты, а на самое начало отсчёта нашего мироздания.