Артур Б. Макдональд: физик, ушедший на два километра под землю

В двух километрах под ландшафтом Онтарио, внутри действующей никелевой шахты недалеко от Садбери, Артур Макдональд (Arthur McDonald) провел более десяти лет, проводя эксперимент, который требовалось защитить почти от всех частиц на поверхности Земли, чтобы уловить те, что долетают от Солнца. Когда в 2001 году наконец были получены данные, он назвал это своим «моментом эврики»: нейтрино, призрачные частицы, которые физики считали безмассовыми, меняли свою идентичность в полете — это было доказательство того, что они все же обладают массой.

От Сиднея, Новая Шотландия, до Калтеха

Артур Брюс Макдональд (Arthur Bruce McDonald) родился 29 августа 1943 года в Сиднее, Новая Шотландия. Свое раннее образование он получил неподалеку от дома, получив степень бакалавра физики в 1964 году и степень магистра в 1965 году в Университете Далхаузи (Dalhousie University). Затем он пересек континент для работы в аспирантуре Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), где в 1969 году под руководством профессора Чарльза А. Барнса (Charles A. Barnes) получил степень доктора философии (Ph.D.) по ядерной физике. Его диссертация была посвящена энергии возбуждения и свойствам распада определенных ядерных состояний в кислороде-17, фторе-17 и натрии-21 — техническая, неброская работа, типичная для молодого физика-ядерщика, нащупывающего свой путь перед открытием, которое определит его карьеру.

От Чок-Ривер до Принстона

Ранняя профессиональная жизнь Макдональда прошла в основном в канадских ядерных исследовательских учреждениях: с 1969 по 1982 год он был научным сотрудником в Лабораториях ядерных исследований Чок-Ривер (Chalk River Nuclear Laboratories), участвуя в флагманской программе страны по реакторной физике и физике частиц. Затем, с 1982 по 1989 год, он занимал профессорскую должность в Принстонском университете (Princeton University), прежде чем вернуться в Канаду в 1989 году в Университет Куинс (Queen's University) в Кингстоне, Онтарио. В том же году он стал директором-основателем нового амбициозного эксперимента, который строился в действующей шахте на глубине двух километров под землей.

Строительство Садберийской нейтринной обсерватории

Садберийская нейтринная обсерватория (Sudbury Neutrino Observatory, SNO) была построена внутри никелевой шахты Крейтон (Creighton) именно потому, что огромная толща горных пород защищала сверхчувствительный детектор от космического фона, который заливает поверхность Земли. В центре обсерватории находилась тысяча тонн тяжелой воды, выбранной из-за способности регистрировать все три типа, или «аромата», нейтрино, а не только один. Макдональд руководил международной коллаборацией SNO на этапе строительства, а с момента начала операций в 1998 году — на этапе многолетних кропотливых сборов данных, направленных на решение десятилетней загадки, известной как «проблема солнечных нейтрино»: детекторы на Земле постоянно обнаруживали лишь около трети электронных нейтрино, которые, согласно расчетам солнечной физики, должно производить Солнце. В августе 2001 года результаты SNO показали причину: пропавшие нейтрино не исчезли, они сменили аромат, осциллируя из электронных нейтрино в мюонные и тау-нейтрино во время путешествия от ядра Солнца до шахты в Онтарио. Эта осцилляция могла происходить только в том случае, если нейтрино, вопреки исходным предположениям Стандартной модели физики частиц, обладают небольшой, но ненулевой массой.

Нобелевская премия, разделенная через Тихий океан

Нобелевская премия по физике за 2015 год была присуждена совместно Макдональду и японскому физику Такааки Кадзита (Takaaki Kajita), чей эксперимент «Супер-Камиоканде» (Super-Kamiokande) независимо обнаружил доказательства нейтринных осцилляций, используя атмосферные, а не солнечные нейтрино. В представлении оба ученых были отмечены «за открытие нейтринных осцилляций, которые показывают, что нейтрино имеют массу» — результат, который Нобелевский комитет и мировое физическое сообщество сочли первой подтвержденной трещиной в Стандартной модели, рамках, десятилетиями предсказывавших поведение частиц с поразительной точностью. Впоследствии Макдональд получил целый ряд наград: премию Бенджамина Франклина по физике в 2007 году, избрание членом Королевского общества в 2009 году, премию Киллама в области естественных наук в 2010 году, медаль Генри Маршалла Тори в 2011 году, премию Джузеппе и Ванны Коккони по астрофизике частиц в 2013 году, назначение компаньоном ордена Канады в 2015 году и многомиллионную премию Breakthrough Prize in Fundamental Physics, разделенную между командами SNO и «Супер-Камиоканде». В 2016 году в его честь был назван астероид 229781 Arthurmcdonald.

SNOLAB, темная материя и поворот во время пандемии

Подземное сооружение, построенное Макдональдом для SNO, не закрылось после завершения нейтринного эксперимента; оно было расширено до SNOLAB, одной из самых глубоких и чистых подземных научных лабораторий в мире, где Макдональд продолжил исследования в области физики нейтрино и поиска темной материи в качестве почетного профессора Университета Куинс. Его навыки оказались полезными и за пределами физики частиц: во время пандемии COVID-19 Макдональд помог возглавить инженерную разработку Mechanical Ventilator Milano — конструкции аппарата ИВЛ с открытым исходным кодом, пригодной для массового производства. Эта работа получила публичную поддержку премьер-министра Канады Джастина Трюдо (Justin Trudeau) в условиях дефицита оборудования в больницах.

Почему Артура называют гением

Признание Макдональда гением связано не столько со вспышкой теоретического озарения, сколько с длительной, почти упрямой инженерной и организационной дисциплиной, необходимой для ответа на вопрос, который природа спрятала чрезвычайно искусно. Нейтрино взаимодействуют с обычной материей настолько слабо, что триллионы из них проходят сквозь человеческое тело каждую секунду, не производя никакого эффекта; обнаружение той крошечной части, которая все же взаимодействует, достаточно чистое, чтобы отличить один аромат от другого, потребовало создания и эксплуатации одного из самых изолированных и точно откалиброванных инструментов, когда-либо построенных, на глубине двух километров под землей, на протяжении большей части двух десятилетий. Это не гениальность внезапной идеи, а неустанное экспериментальное терпение — проектирование аппарата, достаточно чувствительного, чтобы поймать то, что никто не ловил раньше, и удержание международного сотрудничества достаточно долго, чтобы получить четкий ответ. Честный вывод заключается в том, что базовая идея нейтринной осцилляции принадлежала не только Макдональду: теоретики предложили ее раньше, а команда Такааки Кадзита пришла к аналогичному выводу независимо, используя совсем другие нейтрино, именно поэтому Нобелевская премия была разделена. Уникальный вклад Макдональда заключался в решающем доказательстве этого факта с помощью эксперимента, чья чисто физическая дерзость — тяжелая вода, действующая шахта, защита от космических лучей такого масштаба — была в такой же степени триумфом прикладной физики и лидерства, как и теории.

Наследие

Результат эксперимента SNO изменил фундаментальное допущение физики частиц и оставил после себя SNOLAB как постоянный объект научной инфраструктуры, где сейчас ведутся поиски темной материи и другие глубокие подземные эксперименты, которые были бы невозможны больше нигде на Земле. Макдональд, который продолжает активно заниматься исследованиями, будучи уже в возрасте восьмидесяти с лишним лет, остается одним из самых титулованных ученых Канады и продолжает работать в подземной лаборатории, которую он когда-то создал для того, чтобы поймать несколько неуловимых частиц, прилетающих от Солнца.