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

Рейнес и Коуэн, выполнившие титаническую работу на реакторах в Хэнфорде и Саванна-Ривер, впервые смогли изловить призрачную частицу-чертенка. Они поймали нейтрино, которые могут беспрепятственно проскочить через земной шар и продолжить свой путь в глубины Вселенной. Причем они смогли это сделать при помощи очень хитроумной экспериментальной установки, воспользовавшись ядерным реактором в качестве источника нейтрино (точно как предлагал поступить Бруно Понтекорво), применив при этом совершенно иной метод, чем в проекте Понтекорво. Фантом, возникший из ничего в исстрадавшейся душе физика Паули, стал экспериментально зафиксированным феноменом материального мира, предоставив нам вполне удовлетворительное решение таинственной проблемы бета-распада, а также доказав незыблемость закона сохранения энергии. При этом подтвердились теоретические прогнозы Паули и Ферми.

С тех пор мы смогли понять, что неброские нейтрино помогают разгадать многие тайны космоса, ответить на вопросы «почему Солнце светит?» и «почему во Вселенной вообще есть материя?». Прозорливый Понтекорво первым предположил, что Солнце должно испускать огромные тучи нейтрино. Дальше нас ждет история об ученом-первопроходце, желавшем поймать внеземные нейтрино, прилетающие к нам из космических далей.

Глава 4

Подземное солнце

В начале 1950-х гг. охотой на нейтрино занимались не только Фред Рейнес и Клайд Коуэн. Рэй Дэвис, студент Йельского университета, обучавшийся физической химии, «заболел» проблемой нейтрино, однажды прочитав об этих частицах в библиотеке, и с тех пор без устали их выслеживал. Дэвис вырос в столичном Вашингтоне. Вместе с братом (он был на год и два месяца младше Рэя) они играли в уличные мальчишеские игры и плескались в реке Потомак. Отец Дэвиса, работавший фотографом в Национальном бюро стандартов США, в свое время даже не окончил школу. Однако именно он привил Рэю интерес к химическим опытам и фотографии. В молодости Дэвис хорошо стрелял из винтовки и даже получал медали за меткость, хотя позже забросил этот спорт. Мать пыталась приобщить сына к музыке, но, в отличие от Рейнеса, Дэвис пел плохо. Рэй вспоминал: «Чтобы угодить маме, я несколько лет пел в хоре, несмотря на полное отсутствие музыкального слуха».

Повзрослев, Рэй Дэвис решил посвятить себя науке, а его брат избрал военную карьеру. Дэвис окончил аспирантуру по химии в Йельском университете, затем пошел в армию и в годы Второй мировой войны служил в качестве резервиста, работая наблюдателем на испытаниях химического оружия в штате Юта. В свободное время Дэвис много гулял по окрестностям и фотографировал. После войны работал в химической компании Monsanto, где занимался исследованием радиоактивных веществ, а в 1948 г. поступил на работу в только что созданную Брукхейвенскую национальную лабораторию. Эта лаборатория была выстроена вскоре после войны на месте бывшей военной базы, расположенной на острове Лонг-Айленд. Задачи лаборатории заключались в исследовании возможностей мирного применения ядерной физики. Именно в Брукхейвене Дэвис познакомился со своей будущей женой, работавшей в биологическом отделе этого учреждения. В течение следующих 15 лет у них родилось пятеро детей. Семья Дэвисов жила на побережье, Рэй с женой своими руками собрали парусную шлюпку и впоследствии всю жизнь увлекались морскими прогулками под парусом.

Прибыв в лабораторию, Дэвис первым делом поинтересовался у начальника, чем ему предстоит здесь заниматься. Спустя десятки лет он вспоминал: «К моему удивлению и восторгу, он сказал мне идти в библиотеку и самому подыскать какую-нибудь интересную тему». Там Дэвису и попалась на глаза статья о нейтрино. Прочитав ее, молодой человек понял, что науке почти ничего не известно об этой таинственной частице, несмотря на то что Вольфганг Паули, Энрико Ферми и Бруно Понтекорво уже выполнили первые работы в этой области. Проблема нейтрино открывала широчайшие перспективы для исследователей-экспериментаторов. Более всего Дэвис заинтересовался опытом Понтекорво, в котором итальянский ученый пытался использовать в качестве детектора нейтрино большой резервуар с хлорсодержащей жидкостью. Понтекорво отмечал, что при попадании нейтрино в атом хлора этот атом превратится в радиоактивный изотоп аргона. Этот изотоп распадется с выделением радиации – поэтому его будет легко обнаружить. Учитывая большой опыт Дэвиса в области радиохимических исследований, неудивительно, что он решил взяться за эту проблему. В тот день, проведенный в брукхейвенской библиотеке, Дэвис нашел свое призвание. Он упорно шел к поставленной цели всю жизнь, хотя шансы на успех были очень невелики.

В последующие годы Дэвис занимался и другими научными вопросами. В частности, он догадался измерять возраст метеоритов (и приблизительно определять их историю) по содержащимся в метеоритах радиоактивным изотопам. Вместе с коллегой Дэвис применял методы радиометрической датировки[21], чтобы определить, сколько времени метеорит провел в космосе до падения на Землю – соответственно, как долго он подвергался воздействию космических лучей. Когда экипаж «Аполлона» доставил на Землю образцы лунного грунта, Дэвис был в группе исследователей, которые анализировали состав этих образцов. При этом произошел интересный случай. Вот что рассказывает о нем сам Дэвис: «Когда мы занимались обработкой образцов с “Аполлона-12”, один из перчаточных боксов[22] в Хьюстоне разгерметизировался. Так мне довелось целых две недели провести в карантине вместе с астронавтами и еще несколькими невезучими учеными – пока врачи не убедились, что мы не заразились какими-нибудь лунными инфекциями». Несмотря на участие в различных научных исследованиях, Дэвис на протяжении всей жизни ничем так не интересовался, как охотой за нейтрино.

Решив впервые попытать счастья в этой охоте, Дэвис установил 3800-литровый бак с жидким безводным моющим средством (тетрахлоридом углерода) рядом с небольшим ядерным реактором, имевшимся в самой Брукхейвенской лаборатории. Дэвис знал, что нейтрино редко взаимодействуют с материей, поэтому выждал несколько недель, надеясь, что за это время вполне может произойти парочка реакций, а затем измерил объем накопившегося аргона. Результаты были неутешительными: не удалось зафиксировать никакого дополнительного аргона, кроме того, что мог образоваться в жидкости под действием космических лучей. Всякие признаки нейтрино отсутствовали. Дэвис вновь поставил такой опыт в 1955 г., на этот раз соорудив более крупную модель аппарата и установив его рядом с более мощным ядерным реактором в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина. Кстати, именно там ставили свой эксперимент и Рейнес с Коуэном. Но опять же ничего у Дэвиса не получилось. Итак, Дэвис не смог достичь успеха при помощи метода, предложенного Понтекорво, а Рейнес и Коуэн отловили изворотливую частицу уже в следующем году, применив вместо хлорсодержащего наполнителя сцинтиллирующую жидкость и ФЭУ. Но и для Дэвиса игра была далеко не окончена. Теперь, когда Рейнес и Коуэн доказали реальность нейтрино, Дэвис решил поймать те из них, которые прилетают к нам от Солнца через толщу земных пород, а не образуются в ядерных реакторах.

Дэвис знал, что нейтрино должны быть важнейшим побочным продуктом ядерных реакций, генерирующих солнечную энергию, – ведь за несколько предыдущих десятилетий астрофизики уже достаточно полно описали, как именно устроены недра нашего светила. Первую важнейшую гипотезу, пролившую свет на механизм образования солнечной энергии, выдвинул в 1920 г. британский астроном Артур Эддингтон. Он предположил, что этот механизм может быть связан с ядерными реакциями. Один из коллег Эддингтона по Кембриджу установил, что масса атома гелия чуть меньше, чем суммарная масса четырех атомов водорода. Эддингтон полагал, что, когда в ядре Солнца четыре ядра водорода в результате ядерного синтеза образуют одно ядро гелия, небольшая масса, которая «теряется» в результате, на самом деле превращается в энергию, согласно эйнштейновскому уравнению E = mc2. Конечно, догадка Эддингтона была блестящим озарением, но он не раскрыл деталей механизма подобных реакций. Кто-то еще должен был описать такую ядерную реакцию, которая, с одной стороны, обеспечивала бы наблюдаемую яркость Солнца, а с другой – не шла слишком быстро (ведь при бурных ядерных реакциях Солнце бы давно выгорело).

Ханс Бете, разносторонний физик-теоретик, работавший в Корнеллском университете города Итака, штат Нью-Йорк, взялся исследовать механизм солнечной ядерной печи. Бете родился в 1906 г. в Страсбурге, который в тот период входил в состав Германской империи, а сейчас находится на территории Франции. Отец Бете был врачом, а мать – талантливым музыкантом, пока практически не потеряла слух, переболев гриппом. Вероятно, в результате болезни она страдала от приступов депрессии, и родители Бете в конце концов развелись. С четырех лет Ханс увлекался числами, а в возрасте четырнадцати самостоятельно освоил математический анализ. Кроме того, он рано научился грамоте и исписывал тетрадки собственными сочинениями. Правда, в детстве у Бете была странная привычка: он писал одну строку слева направо, а вторую – справа налево (именно таким письмом пользовались древние греки в VII в. до н. э.). К моменту окончания средней школы Бете уже гораздо больше интересовался физикой, чем математикой, так как математика, на его взгляд, «доказывает очевидные вещи». Проучившись два года в университете Франкфурта-на-Майне, Бете отправился в Мюнхен, где собирался продолжить образование под руководством харизматичного Арнольда Зоммерфельда (подобно Вольфгангу Паули, прибывшему в Мюнхен несколькими годами ранее).