В прошлый раз мы рассказали про два примера сверхредких событий из жизни элементарных частиц: про необычные распады B-мезонов и еще более необычные распады мюонов. B-мезонами занимаются коллайдеры, и в частности, LHC, а необычные распады мюонов ищут в низкоэнергетических экспериментах, устроенных совсем по другому принципу. Но несмотря на разницу и самих элементарных частиц, и инструментов для их изучения, у обоих процессов есть важное сходство.
B-мезоны и мюоны — частицы нестабильные, они довольно быстро распадаются. А это значит, что их сначала надо массово произвести, а уж потом пытаться проследить их варианты распада. Масштаб «редкости», который доступен этим экспериментам, определяется именно тем, насколько хорошо налажено «производство» и транспортировка этих частиц в детектор. Большой адронный коллайдер — это, можно так сказать, генератор процессов триллионного (10−12) масштаба редкости. Линии по производству мюонов, выдающие под миллиард мюонов в секунду — это машины следующего уровня, позволяющие чувствовать процессы квадриллионного масштаба редкости (т.е. вероятности порядка 10−15) . И если мы хотим продвинуться еще дальше на шкале редкости, нам придется налаживать еще более массовое производство этих частиц.
Ситуация кардинально меняется, как только мы беремся за сверхредкие процессы с участием стабильных частиц. Еще бы: их не надо создавать, их и так много вокруг. Более того, ими заполнен космос! Это полностью меняет подход к самой установке для детектирования. Как правило, нам не требуется даже напрягаться и производить эти частицы; достаточно взять чувствительный детектор и подставить его под потоки частиц, которые и так существуют в природе. Уровень редкости процессов, доступный в таких экспериментах, определяется уже совсем иными вещами: мощностью потока частиц, а также чувствительностью и «чистотой» детектора.
Возьмем классический пример: нейтрино. Это очень легкие и практически неуловимые частицы, которые в огромной концентрации есть повсюду. Их в безумных количествах производит Солнце; через каждый квадратный сантиметр земной поверхности ежесекундно проходят десятки миллиардов солнечных нейтрино. Нейтрино массово рождаются в атмосфере при ее бомбардировке космическими лучам, а также в ядерных реакторах и в земных недрах при расщеплении или свободном распаде тяжелых элементов. Современные детекторы «видят» все эти нейтринные источники. А поверх этого повсюду, во всей вселенной существует фон из медленных нейтрино — отзвук тех далеких времен, когда вселенная была еще молода и горяча. Их поток еще больше, триллионы нейтрино в секунду через квадратный сантиметр, но такие медленные нейтрино физики пока регистрировать не умеют.
Детектор-фотоумножитель эксперимента LUX
Фотография: C.H. Faham / LUX Dark Matter