Нейтрино почти не взаимодействуют с материей, поэтому обнаружить их чрезвычайно трудно. Но именно их неуловимость делает эти частицы ценными посланцами: они проходят сквозь звёзды и планеты, сохраняя сведения о событиях, недоступных обычным телескопам. Рэй Джаявардхана начинает с антарктической обсерватории «Ледяной куб», где тысячи датчиков ищут слабые вспышки света, возникающие при редких столкновениях нейтрино со льдом. Чтобы отделить эти сигналы от космического шума, детекторы помещают глубоко подо льдом или землёй.
История нейтрино начинается с загадки бета-распада. Электроны, испускаемые радиоактивными атомами, имели разную энергию, словно часть энергии исчезала. Вольфганг Паули предположил, что её уносит незаметная нейтральная частица. Энрико Ферми описал, как она возникает при распаде, и дал ей имя — нейтрино.
Долгое время гипотеза оставалась спорной: частицу считали почти невозможной для наблюдения. Фред Рейнес и Клайд Коуэн решили искать нейтрино рядом с мощным ядерным реактором. В их детекторе нейтрино могло превратить протон в нейтрон и позитрон. Позитрон почти сразу сталкивался с электроном, а нейтрон спустя несколько микросекунд поглощался другим ядром.
Два последовательных сигнала позволяли отличить редкое взаимодействие от помех. После первых неубедительных данных физики усовершенствовали установку и подтвердили, что нейтрино существуют. Так гипотеза Паули получила экспериментальное подтверждение, а закон сохранения энергии — объяснение. Затем Рэй Дэвис попытался поймать нейтрино, рождающиеся в Солнце, и заглянуть в его недра.
Его подземный резервуар с хлорсодержащей жидкостью должен был превращать столкновения в радиоактивный аргон, который можно было извлечь и пересчитать. Дэвис обнаруживал примерно треть нейтрино, предсказанных моделью Джона Бакала. Независимый детектор Kamiokande подтвердил этот дефицит. Долгие годы учёные спорили, ошибочна ли солнечная модель или эксперимент.
Разгадка связала солнечную физику с квантовыми свойствами частиц. Бруно Понтекорво предположил, что нейтрино способны осциллировать: менять тип, или «аромат», пока летят к Земле. Тогда детектор Дэвиса видел только электронные нейтрино, а превратившиеся в другие типы ускользали от его метода. Обсерватория SNO, использовавшая тяжёлую воду, смогла измерять все три типа.
Измерения показали: электронных нейтрино действительно меньше, но общий поток совпадает с расчётами Бакала. Недостающие частицы не исчезали — они меняли аромат. Это открытие означало, что у нейтрино есть масса, хотя Стандартная модель физики предполагала обратное.
Джаявардхана показывает, как измерения этих частиц помогают проверять теории о материи и антиматерии, а также изучать гибель массивных звёзд. Всплеск нейтрино от сверхновой 1987А достиг Земли раньше видимого света и подтвердил, что нейтрино вырываются из звездного ядра до того, как становится заметен взрыв. Открытые вопросы остаются: учёные ищут новые типы нейтрино и проверяют, могут ли нейтрино быть собственными античастицами.
