Преди 70 години физиците се опитаха да уловят частица, която е почти невъзможно да бъде уловена. Неутриното няма електрически заряд, притежава изключително малка маса и преминава през Земята, стените на лабораториите и човешкото тяло почти без следа, затова първият успешен експеримент не приличаше на изящна настолна апаратура, а по-скоро на капан за призрак: 10-тонен детектор, дебели оловни стени, мокри чували с пясък и мощен ядрен реактор наблизо.
Експериментът имаше подходящо име – Project Poltergeist. В началото на 1956 година Клайд Коуен и Фредерик Райнес разположиха апаратурата до реактора на Savannah River Plant в Южна Каролина. Реакторът генерираше огромен поток от неутрино, а масивната защита блокираше излишното излъчване, което можеше да прикрие редките сигнали. През юни същата година физиците изпратиха на Волфганг Паули кратка телеграма: неутриното най-накрая беше открито.
Заобиколен от членове на екипа, Райнес (третият отдясно) държи плакат на проекта „Poltergeist“
Историята започна много по-рано. През 1920-те години физиците забелязаха странност в бета-разпада, един от видовете радиоактивен разпад. Според изчисленията част от енергията сякаш изчезва. Законите за запазване изискваха обяснение, но известните частици не се вписваха. През 1930 година Паули предлага смело решение: заедно с другите продукти на разпада се отнася и една почти неуловима частица. Самият Паули смяташе идеята за почти отчаяна, защото новата частица трябваше да взаимодейства толкова слабо с материята, че улавянето ѝ изглеждаше невъзможно.
След успеха на Коуен и Райнес физиците бързо разбраха, че осцилациите на неутриното могат да се превърнат не само в обект на лов, но и в инструмент за наблюдение. Ядрените реакции пораждат такива частици в реактори, в недрата на звездите и при най-мощните космически процеси. Ако се научим да ги регистрираме, ще можем да надникнем там, откъдето обикновената светлина едва прониква или пристига твърде късно.
Основният проблем остана същият: частицата почти никога не се сблъсква с материята, което означава, че капанът трябва да бъде огромен, дълбок и много търпелив.През 60-те години започна първият мащабен опит да се наблюдава неутрино от Слънцето. Реймънд Дейвис-младши поставя детектор на дълбочина около 1,5 километра в мината „Хоумстейк“ в Южна Дакота. Вътре се намирал резервоар с почти 400 000 литра перхлоретилен – течност, съдържаща хлор, която се използва като почистващо средство. Ако слънчево неутрино попада в ядрото на хлора, може да се образува радиоактивен аргон. По отделните атоми аргон учените изчисляваха колко неутрино е достигнало от Слънцето. Експериментът продължил 25 години и довел до странен резултат. Детекторът засичал само около 1/3 от слънчевото неутрино спрямо броя, предсказан от моделите. Грешката може да е била навсякъде: в изчисленията за Слънцето, в устройството на детектора или в свойствата на самото неутрино. Така се появил проблемът със слънчевото неутрино – една от най-известните загадки на физиката от втората половина на 20-и век.
Разгадаването му изисквало нови гигантски съоръжения. В японската мина Камиока беше построен детекторът „Kamiokande“ с 3 милиона литра свръхчиста вода. Водата не беше необходима за директно улавяне на неутрино, а като среда, в която рядкото сблъскване би могло да бъде забелязано. Когато неутрино взаимодейства с атомно ядро, понякога се ражда електрон. Ако електронът се движи през водата по-бързо, отколкото се разпространява светлината в тази среда, възниква слаба светлинна вспышка. Фотоумножителите по стените на детектора улавят такива светлинни импулси.
Super-Kamiokande
„Kamiokande“ потвърди дефицита на слънчево неутрино. След това по-голямата обсерватория „Super-Kamiokande“ и канадската обсерватория „Sudbury Neutrino Observatory“ показаха къде е изчезнала липсващата част. Неутрино е три вида: електронно, мюонно и тау-неутрино. По пътя от Слънцето към Земята частиците могат да променят типа си. Първите експерименти засичаха по-добре електронното неутрино, поради което част от потока преминаваше покрай брояча, сякаш незабелязана.
Това откритие се оказа по-дълбоко от обикновена корекция на слънчевите изчисления. Преходите между типовете са възможни само при наличието на маса у неутриното. Стандартната физична картина дълго време не изискваше такава маса и до днес не я обяснява по естествен начин. Частицата, измислена, за да спаси закона за запазване на енергията, сама се превърна в указател за непълнотата на обичайните теории.
Съвременните обсерватории за неутрино вече не се ограничават до Слънцето и реакторите. Неутринният телескоп IceCube под станцията „Амундсен-Скот“ на Южния полюс използва не резервоар с вода, а кубичен километър антарктически лед. В дебелината на леда са разположени хиляди сензори, които улавят импулси от редки взаимодействия. IceCube е съставил карта на Млечния път въз основа на неутрино данни и е свързал част от високоенергийните частици с активни галактики, където свръхмасивни черни дупки ускоряват материята до екстремни енергии.
IceCube
Друг голям „капан“ за неутрино работи на дъното на Средиземно море. Телескопът KM3NET използва морската вода като огромен детектор и вече е регистрирал най-енергичното космическо неутрино от известните досега. Източникът на тази частица все още не е открит. Такива събития са особено ценни: светлината, радиовълните и заредените частици могат да се изкривят по пътя си през космоса, докато неутрината лети почти по права линия от мястото на своето възникване.
KM3NET
Новата вълна от експерименти е фокусирана върху осцилациите, тоест преходите на неутриното между различните си типове. Китайската обсерватория JUNO започна работа през 2025 година, а първите данни, публикувани през този месец дадоха най-точните към този момент измервания на параметрите на неутринните осцилации. В Япония се подготвя Hyper-Kamiokande, а в САЩ – експериментът DUNE. И двете съоръжения трябва да започнат да работят към края на десетилетието и да проверят свойствата на неутриното с още по-голяма точност.
JUNO
За 70 години „рецептата“ почти за търсене на неутрино не се е променила. За да уловят частица, която преминава през планетата почти без съпротивление, физиците се нуждаят от огромни обеми вещество, километри скална маса или лед за защита от излишен фонов шум и години чакане. Паули се съмняваше, че някога ще успеем да открием неутрино. Сега тези частици помагат да изучаваме Слънцето, взривовете на звезди, черните дупки и границите на самата физична теория.