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

Бете проявил исключительный талант к теоретической физике, с отличием окончив аспирантуру. Часть следующего года он провел в Риме, работая под началом Ферми, которым восхищался. В письме к своему бывшему научному руководителю Зоммерфельду Бете отмечал: «Бесспорно, величайшее чудо Рима – это Ферми. Невозможно описать, как он мгновенно находит решение для любой поставленной перед ним задачи». Ферми научил Бете быстро делать глубокие выводы из ориентировочных расчетов – такой подход к физике казался гораздо менее формалистичным, чем методы Зоммерфельда, усвоенные в Мюнхене.

Бете вернулся в Германию в 1932 г., получив место преподавателя в университете, но потерял работу год спустя, так как его мать была еврейкой, а Гитлер ввел расистские законы, не позволявшие евреям занимать государственные должности. Подобно многим другим ученым еврейского происхождения, Бете вскоре оказался в Америке, где стал профессором Корнеллского университета. Здесь он превосходно чувствовал себя в атмосфере научной взаимопомощи и продолжал исследования в области ядерной физики. В этот период Бете совершил поступок, который возмутил многих его коллег: разорвал помолвку с Хильдой Леви, с которой познакомился еще во Франкфурте. За долгие годы знакомства Ханс и Хильда стали очень близки. Причиной разрыва стали яростные претензии матери Хильды, причем скандал разразился всего за несколько дней до свадьбы. Друг Леви, великий датский физик Нильс Бор, был настолько обескуражен, что много лет избегал Бете.

В начале 1938 г. Бете и Чарльз Критчфилд, который тогда был аспирантом Университета Джорджа Вашингтона, изучали цепочку ядерных реакций, которая сегодня называется «протон-протонный цикл». Такой цикл – один из путей превращения водорода в гелий в звездных недрах, сопровождающийся высвобождением энергии. Бете и Критчфилд вычислили частоту, с которой происходят акты синтеза двух протонов, преодолевающих взаимное электрическое отталкивание. В результате образуется дейтрон – слабо связанное ядро, состоящее из протона и нейтрона. Когда один из участвующих в реакции протонов превращается в нейтрон, он испускает позитрон и нейтрино. Исследователи установили, что вскоре дейтрон захватывает еще один протон и превращается в ядро гелия-3. На заключительном этапе цикла два ядра гелия-3 сливаются в стабильное ядро гелия-4 и при этом испускают два протона. В сущности, Бете и Критчфилд открыли цепную ядерную реакцию, в ходе которой четыре протона (то есть четыре ядра водорода) превращаются в одно ядро гелия-4, излучая при этом фотоны (энергию), позитроны и нейтрино. В такой картине позитроны и электроны должны аннигилировать, с образованием высокоэнергетических гамма-лучей. Фотоны этих гамма-лучей пробьют себе путь из глубин Солнца, преодолевая слой за слоем, и через сотни тысяч лет достигнут поверхности звезды. К тому времени фотоны потеряют львиную долю своей энергии, превратившись в видимый свет. Нейтрино, в свою очередь, должны беспрепятственно ускользать с Солнца и достигать Земли примерно через восемь минут, поскольку они движутся практически со скоростью света.

Протон-протонный цикл ядерных реакций, при котором в ядре Солнца гелий превращается в водород. В ходе цикла выделяются гамма-лучи и образуются нейтрино

Однако Бете и Критчфилд располагали недостаточно точными данными о температуре в ядре Солнца. Выведенная ими оценка скорости образования частиц оказалась гораздо выше, чем фактическая «производительность» Солнца. Но в марте 1938 г. Бете, будучи на научном собрании в Вашингтоне, узнал замечательные новости: оказалось, что, по последним расчетам астрофизиков, температура в недрах Солнца должна быть гораздо ниже, чем предполагалось ранее. Бете понял, что при новой оценке температуры его расчеты гораздо лучше согласуются с наблюдениями, и решил исследовать все различные варианты превращения водорода в гелий, происходящего в глубине звезд.

Вооружившись лишь ручкой и бумагой, Бете открыл альтернативную цепную реакцию, которая сегодня называется «CNO-цикл». «CNO» – химические символы углерода, азота и кислорода. Эта реакция хорошо вписывалась в наблюдаемую картину. Позже Бете вспоминал: «Рассказывают, что я догадался об углеродном цикле, когда ехал домой из Вашингтона на поезде. Это не так. Но, вернувшись в Итаку, я действительно стал размышлять о том, как образуется энергия в массивных звездах». Не прошло и двух недель после окончания конференции в Вашингтоне, как Бете уже разработал этот цикл в деталях. Цикл начинается с атома углерода, поглощающего ряд протонов (иными словами, ядер водорода). В результате углерод превращается в азот, а азот – в кислород. Ядро кислорода, в свою очередь, испускает ядро гелия, в результате чего кислород вновь становится углеродом. Этот способ превращения водорода в гелий, сопровождающийся выделением энергии, очень изящен, причем углерод в данном случае играет роль катализатора. В ходе ядерных реакций, состоящих из CNO-циклов, также образуются нейтроны. Вся проблема заключается в том, что для устойчивого CNO-цикла требуются температуры выше 20 млн градусов. Таким образом, он описывает образование энергии в более массивных и горячих звездах, чем Солнце. Бете заключил, что сияние звезд-гигантов обусловлено CNO-циклом, а такие звезды, как Солнце, светят благодаря протонно-протонному циклу.

Если теория Бете об образовании солнечной энергии была верна, то Солнце должно было представлять собой обильный источник нейтрино. Но в статье «Источники энергии звезд» (Energy Production in Stars), опубликованной в 1939 г., Бете не упомянул, что для проверки этой теории можно было бы попытаться отловить солнечные нейтрино. В тот период нейтрино еще воспринимались как теоретический конструкт, поэтому неудивительно, что Бете предпочел о них умолчать. Даже в пророческом докладе Понтекорво от 1946 г. солнечные нейтрино упоминаются лишь вскользь. Однако возможность заглянуть в недра Солнца, изучив солнечные нейтрино, распалила любопытство Рэя Дэвиса.

На самом деле Дэвис пытался обнаружить солнечные нейтрино еще в ходе эксперимента, поставленного в Брукхейвене. Детектор, который он использовал, и близко не обладал чувствительностью, которая для этого требовалась, однако Дэвис вычислил ориентировочное максимальное количество нейтрино, ежесекундно прилетающих к нам от Солнца, и указал эти данные в своей публикации. Один физик решительно отверг предложенную Дэвисом оценку, заявив: «Не могу себе представить научную статью, автор которой описал бы такой эксперимент: физик забирается на гору, оттуда пытается дотянуться рукой до Луны. Ему это не удается, из чего физик делает вывод, что расстояние от вершины до Луны больше двух с половиной метров». Такой скепсис не смутил отважного экспериментатора. Да, первый опыт Дэвиса был очень малым шагом, но тем не менее очень важным.

Самая большая сложность, с которой столкнулся Дэвис, заключалась в следующем: большинство нейтрино, образующихся в ходе протон-протонного цикла, обладали слишком малой энергией, поэтому не могли достаточно сильно ударить атом хлора и превратить его в аргон. Таким образом, обнаружить их в эксперименте Дэвиса было невозможно. Однако Дэвис не оставлял надежды, полагая, что не все нейтрино одинаковы и некоторые должны обладать достаточной энергией, чтобы детектор на них отреагировал. В частности, он знал, что время от времени третий этап протон-протонного цикла протекает «не по правилам»: вместо столкновения двух ядер гелия-3 (с образованием гелия-4) происходит столкновение гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется бериллий-7. В свою очередь, бериллий-7 может прореагировать с протоном и стать бором-8. Изотоп бор 8 нестабилен; он распадается в бериллий-8 и при этом испускает позитрон и нейтрино. Именно такой нейтрино должен обладать достаточной энергией, чтобы его можно было зафиксировать в эксперименте Дэвиса. К радости Дэвиса, в 1958 г. физики из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне установили, что такая альтернативная реакция происходит в тысячу раз чаще, чем предполагалось ранее. Двое астрофизиков – Вилли Фаулер из Калифорнийского технологического института и Аластер Кэмерон, в тот период работавший в канадской лаборатории на реке Чок-Ривер, – осознали всю важность этого открытия для отслеживания солнечных нейтрино и предупредили Дэвиса, что его шансы на успех возросли.

Воодушевившись добрыми новостями, Дэвис в конце 1959 г. вновь решил поохотиться на солнечные нейтрино. На этот раз он установил детектор в известняковой шахте Барбетон в штате Огайо. Глубина шахты составляла более 700 м, поэтому Дэвис рассчитывал, что ему удастся избавиться от надоедливых космических лучей, которые в иных условиях перекрывали сигналы нейтрино. Первые оценки Дэвиса относительно разрешающей способности этого эксперимента были скорее оптимистическими: Дэвис полагал, что сможет ежедневно регистрировать хотя бы несколько солнечных нейтрино. Но ему предстояло испытать еще одно разочарование: проверив детектор, он не нашел никаких следов неуловимых солнечных посланцев. Вскоре после этого Дэвису довелось узнать и о другом неприятном факте. По данным ученых из лаборатории ВМС, синтез бериллия-7 был достаточно простой реакцией. Однако другие исследователи обнаружили, что следующий этап реакции – превращение бериллия-7 в бор-8 (с поглощением протона) – случается гораздо реже. Таким образом, количество высокоэнергетических солнечных нейтрино должно быть очень низким, и эксперимент Дэвиса не позволяет их зарегистрировать. В 1960 г. Фред Рейнес резюмировал ситуацию так: «Даже при опыте с огромными детекторами, содержащими тысячи или сотни тысяч галлонов[23] [тетрахлорида углерода], вероятность успеха столь невелика, что, пожалуй, экспериментаторам стоит оставить такие попытки». Большинству физиков ситуация казалась безнадежной. Некоторые ученые, не столь упорные, как Дэвис, просто решили смириться и заняться чем-нибудь другим. Однако Дэвис решил провести более масштабный эксперимент, увеличив свою установку в 100 раз. Новый резервуар был сравним по объему с олимпийским плавательным бассейном. Соответственно, такой детектор был гораздо чувствительнее предыдущих моделей.