Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Тем временем в США многие физики, в годы войны участвовавшие в Манхэттенском проекте, вернулись в университеты. Среди тех, кто в начале 1950-х еще оставался в Лос-Аламосе, был и 33-летний физик-теоретик по имени Фред Рейнес. Юность Рейнеса протекала в штатах Нью-Джерси и Нью-Йорк, далеко от больших городов. В детстве Фред неплохо пел и состоял в скаутском движении. Позже он вспоминал, что впервые заинтересовался естествознанием, когда однажды под вечер, заскучав на уроке в религиозной школе, стал смотреть на закат через щель между пальцами, залюбовавшись дифракцией света. Кроме того, Рейнес с увлечением мастерил детекторные приемники – простейшие модели радиоприемников, популярные на заре радиотехники, собирая эти приборы с нуля. Однажды Фред написал в ежегодном школьном альманахе, что мечтает стать «выдающимся физиком». В годы учебы на инженерном факультете Стивенсовского технологического института Рейнес пел в хоре и даже солировал в больших вокальных пьесах, например, в «Мессии» Генделя. Сам ученый впоследствии вспоминал, что «между колледжем и университетом я даже какое-то время подумывал о профессиональной вокальной карьере». Еще до того, как Рейнес защитил докторскую диссертацию в Нью-Йоркском университете (в 1944 г.), молодой физик был приглашен на работу в Лос-Аламос. Там Рейнес уже после войны участвовал в испытаниях атомных бомб – в частности, в подготовке широко известных взрывов, осуществленных на атоллах Эниветок и Бикини. Рейнес, будучи физиком-теоретиком, занимался уточнением теоретической базы, описывающей эффекты ядерных взрывов. Среди прочего его интересовало, как ударная волна распространяется в воздухе. В свободное время Рейнес по-прежнему увлекался музыкой (пел в городском хоре), посещал местный драмкружок, а позже даже подвизался хористом в составе Кливлендского симфонического оркестра.

В 1951 г. Рейнес сообщил своему руководителю в Лос-Аламосе, что хотел бы оставить экспериментальные исследования и сосредоточиться на фундаментальной физике. Позже, размышляя об этом поворотном моменте в своей жизни, Рейнес писал, что, когда его вопрос был решен положительно, ему пришлось «переехать в практически пустой кабинет, просидеть там несколько месяцев, уставившись в пустую тетрадь, и напряженно подыскивать столь значительную научную проблему, изучению которой можно было бы посвятить жизнь». Перебирая в уме интересные проекты, Рейнес предположил, что при атомном взрыве должны образовываться целые тучи нейтрино. Соответственно, обнаружить эти таинственные частицы при атомном взрыве будет сравнительно просто.

Рейнес знал, что при делении атомов в ходе цепной реакции возникает множество нестабильных ядер, которые, в свою очередь, подвергаются бета-распаду и испускают нейтрино. В среднем при каждом акте деления ядра должны возникать шесть нейтрино – то есть при атомном взрыве их будет действительно очень много. Как писал сам Рейнес, «сделав кое-какие вычисления и поколдовав над формулами, я пришел к выводу, что бомба является идеальным источником… но я полагал, что эту гипотезу необходимо проверить экспериментально».

Как нельзя кстати летом 1951 г. в Лос-Аламос прибыл с визитом Энрико Ферми, и Рейнес, набравшись духу, решился с ним поговорить. Ферми согласился, что атомная бомба – это действительно потрясающий источник нейтрино. Но вся загвоздка в том, что сам Рейнес не представлял, как сконструировать подходящий детектор для регистрации нейтрино при ядерных испытаниях. Поразмыслив над этой проблемой, Ферми признал, что и сам не видит такой возможности. «От Учителя я возвращался опустошенным», – вспоминал Рейнес. Его мечты об охоте на нейтрино пришлось отложить до лучших времен, а сначала придумать, как двигаться дальше.

Как говорится, не было бы счастья, да несчастье помогло. Позже, в 1951 г. Рейнес летел на самолете в Принстон, когда самолет пошел на вынужденную посадку в аэропорту Канзас-Сити из-за нехватки топлива. Вместе с Рейнесом летел Клайд Коуэн, его коллега по Лос-Аламосу. В годы войны Коуэн занимался разработкой радаров, за что был награжден медалью «Бронзовая Звезда». Затем на пособие для ветеранов войны Коуэн поступил в аспирантуру и защитил докторскую диссертацию, а в 1949 г. поступил на работу в Лос-Аламос. Итак, поневоле оказавшись в Канзасском аэропорту, двое ученых, пытаясь как-то скоротать время, бродили по зданию и беседовали. В итоге они решили совместными силами взяться за решение какой-нибудь физической проблемы, которая им обоим казалась бы нетривиальной. Рейнес предложил заняться нейтрино, Коуэн согласился. «Он знал о нейтрино не больше меня, но зато был хорошим и в меру авантюрным экспериментатором. Итак, мы ударили по рукам и решили заняться нейтрино», – рассказывает Рейнес. Далее он добавляет: «Итак, почему же мы так хотели зарегистрировать свободный нейтрино? Потому что нас все убеждали, что это невозможно. Не самое здравое решение, но сам вызов казался притягательным». Оба ученых уже имели опыт участия в грандиозных военных проектах, который, пожалуй, мог подогревать их интерес к этой отчаянной затее. «Работа над испытанием атомной бомбы научила нас мыслить масштабно, в духе “мы сможем”… [Она] всецело занимала наши мысли. Всякий раз, планируя новый проект, мы ставили перед собой самую интересную и фундаментальную цель, не особенно задумываясь о ее достижимости или практическом применении. В Лос-Аламосе мы могли рассчитывать на доступ к новейшим исследовательским технологиям… и этот факт только придавал нам уверенности».

Рейнес и Коуэн знали, что большинство нейтрино совершенно свободно пролетают сквозь вещество. Но если таких частиц будет очень много, то хотя бы некоторые из них должны сталкиваться с атомными ядрами. Учитывая это, ученые решили заняться исследованием конкретной ядерной реакции. По теории Ферми, когда протон поглощает нейтрино, он превращается в нейтрон и испускает антиэлектрон (также называемый «позитрон»)[20]. Рейнес и Коуэн знали, что при обнаружении позитрона можно будет констатировать, что в реакции участвовал нейтрино. Итак, им требовалось найти способ регистрации позитронов. К счастью, незадолго до того были открыты органические жидкости, которые сцинтиллируют (дают крошечные вспышки), когда через них проходит заряженная частица. Итак, Рейнес и Коуэн решили заполнить большой резервуар сцинтиллирующей жидкостью и оснастить его несколькими фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), которые планировалось установить на внутренних стенках сосуда. ФЭУ должны были фиксировать позитронные вспышки. Такой детектор предполагалось подвесить у устья вертикальной скважины, пробуренной в земле, всего в 40 м от вышки, на которой планировалось взорвать 20-килотонный атомный заряд. Впоследствии в своей нобелевской лекции Рейнес скажет: «Идея о том, что столь чувствительный детектор можно будет использовать в непосредственной близости… от чудовищного рукотворного взрыва, казалась довольно странной, но мы умели работать с бомбами и не сомневались, что сможем сконструировать подходящую систему».

Проект предполагал, что детектор Рейнеса и Коуэна в течение нескольких секунд сможет свободно падать в вакууме, образующемся во время распространения ударной волны. Затем сосуд мягко приземлится (у основания он снабжался толстой подушкой из поролона и пуха), а датчики зарегистрируют позитроны, излучаемые продуктами ядерного взрыва, когда в небо будет подниматься огненный гриб. Позже Коуэн составил отчет, в котором изложил их план по сбору данных после экспериментального взрыва: «Мы вернемся к шахте через несколько дней (когда поверхностная радиоактивность существенно спадет), выкопаем резервуар, достанем детектор и узнаем всю правду о нейтрино». Конечно, сегодня такая схема может показаться странной, но конструкция действительно была многообещающей, и директор лаборатории Лос-Аламос дал добро на это испытание. По воспоминаниям Рейнеса, в те годы процесс утверждения таких испытаний был незамысловат. «Жизнь тогда была проще – никаких длительных процедур рассмотрения и заумных экспертных комитетов».

Когда Рейнес и Коуэн нашли место для испытания, поручили рабочим готовить скважину и приступили к сборке детектора, их коллега Ханс Бете поинтересовался, каким образом молодые люди собираются отличать подлинные нейтрино от прочего излучения, образующегося при атомном взрыве. В поисках ответа на этот вопрос Рейнес и Коуэн смогли придумать еще более замечательный эксперимент: они решили воспользоваться в качестве источника нейтрино не атомной бомбой, а управляемым ядерным реактором. Конечно, реактор выдает за секунду гораздо меньше нейтрино, чем атомный взрыв, но количество этих частиц все равно исчисляется триллионами на квадратный сантиметр. Физики сочли, что для обнаружения нейтрино этого более чем достаточно. Действительно, требовалось подыскать надежный способ, который позволял бы отличать возникновение нейтрино от посторонних «фоновых» событий – например, от воздействия космических лучей. Рейнес и Коуэн поняли, что смогут не только зафиксировать позитрон, но и измерить свойства нейтрона, образующегося при контакте нейтрино с материей. Они знали, что позитрон столкнется с электроном в сцинтиллирующей жидкости, что практически мгновенно приведет к аннигиляции обеих частиц и даст вспышку гамма-лучей, которые зафиксируют ФЭУ. Нейтрон, в свою очередь, проскочит через жидкости по ломаной траектории, наталкиваясь на другие частицы, как пьяница в толпе. При соударении со все новыми ядрами нейтрон будет постепенно терять энергию, пока наконец не будет поглощен другим ядром. Ядро, захватившее нейтрон, избавится от избыточной энергии в виде гамма-излучения. Рейнес и Коуэн знали, что такое блуждание нейтрона обычно продолжается в течение 5 микросекунд. Таким образом, можно было отслеживать временную разбежку между двумя выбросами гамма-излучения, первый из которых вызван аннигиляцией позитрона, а второй – поглощением нейтрона. Если бы в эксперименте удалось зафиксировать такую разницу, равную точно 5 микросекундам, то это был бы несомненный признак возникновения нейтрино. В таком случае все остальные вспышки, зафиксированные детектором, Рейнес и Коуэн списали бы на обычные фоновые помехи.