NASA недавно выступило с инициативой «Службы коммерческих лунных полезных нагрузок» (CLPS), цель которой состоит в том, чтобы найти оптимальные полезные нагрузки для доставки на поверхность Луны. Эти полезные нагрузки будут включать инструменты для фундаментальных научных исследований. Здесь показана космическая концепция Lockheed Martin для коммерческого лунного корабля. Фото: NASA
По мере того, как мы глубже исследуем внутренний механизм Вселенной, наши эксперименты по физике элементарных частиц становятся все более сложными. Чтобы раскрыть секреты мельчайших субатомных частиц, физики должны сделать коллайдеры и детекторы как можно более холодными, удалить из них как можно больше воздуха и держать их в как можно спокойном состоянии, чтобы получить надежные результаты.
Так что у физиков назревает вопрос: а что если мы просто пропустим все это и начнем наши эксперименты по физике элементарных частиц на Луне?
В предложении, опубликованном в базе данных препринтов arXiv в начале этого года, утверждается, что Луна - довольно приличное место для занятий физикой высоких энергий.
Во-первых, холодно. Очень холодно. Без атмосферы и воды нет ничего, что могло бы переносить тепло солнечного света из одного места в другое. Ночью, когда Солнце находится ниже горизонта, температура падает до минус 100 градусов по Фаренгейту (минус 73 градуса по Цельсию) - в диапазоне типичных криогенных установок на Земле. Днем все становится немного жарче, достигая более 100 F (38 C). Но, как показывает лед, спрятанный в тени лунных кратеров, все, что вам нужно, чтобы остыть, это немного тени. Опять же, без воздуха или воды, области без прямых солнечных лучей крайне холодные.
Физикам нужны эти холодные температуры по нескольким причинам. В ускорителях частиц холодные температуры гарантируют, что сверхпроводящие магниты, которые используются для сбрасывания частиц внутри ускорителя почти со скоростью света, не плавятся сами по себе. Во-вторых, чем горячее детектор, тем больше шума вы должны иметь в виду, пытаясь выявить крошечные сигналы от субатомных частиц. (Чем больше тепла, тем больше вибрирующих молекул, что означает больше шума.)
Помимо холодных температур, факт, что у Луны нет атмосферы, является также главным плюсом. Физики должны вытаскивать весь воздух из своих ускорителей и детекторов - не хотели бы, чтобы ваши частицы со скоростью, близкой к скорости света, врезались в блуждающую молекулу азота, прежде чем вы начнете. Но на Луне вакуум в 10 раз лучше, чем всё, что физики создали в своих экспериментах.
Наконец, из-за приливной блокировки Луна всегда смотрит одной и той же стороной на Землю. Это означает, что пучок лунных частиц может быть направлен назад на детектирующую лабораторию на Земле, используя преимущества большого расстояния без необходимости очень усердно работать, чтобы выровнять установку.
Лунная нейтринная фабрика
Возможно, наиболее многообещающее использование эксперимента по физике Луны было бы поиск источника нейтрино. Нейтрино - это призрачные, проворные маленькие частицы, которые не имеют электрического заряда и почти не имеют массы. Это позволяет им пролетать сквозь нормальную материю, почти не замечая этого - сотни миллиардов нейтрино проходят через ваше тело прямо сейчас, и вы ничего не чувствуете.
Одним из отягчающих и загадочных свойств нейтрино является то, что они способны изменять типы (или «ароматы» в физическом жаргоне) во время полета. Имея большое расстояние, разделяющее генерацию и обнаружение нейтрино, мы даем больше нейтрино шансов «изменить вкус», и мы можем лучше понять это поведение. Луна является идеальным источником: она достаточно далеко, чтобы мы могли преодолевать большие расстояния, но достаточно близко, чтобы мы могли захватывать нейтрино в достаточных количествах, чтобы на самом деле проводить исследования (и, вероятно, также устранять неполадки на установке, если что-то пойдет не так).