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

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.

Тут в нашей истории появляются два новых героя – ученые, познакомившиеся по счастливой случайности. Удивительно, как часто подобные стечения обстоятельств влияют на развитие науки – вспомнить хотя бы вынужденную посадку самолета, на котором летели Рейнес и Коуэн. В истории, которую мы сейчас обсудим, редактор журнала невольно стал посредником между двумя учеными, ранее не знавшими друг друга. Одним из этих исследователей был Вилли Фаулер, приятель Дэвиса. Фаулеру удалось доказать, что протекающие в звездах ядерные реакции порождают все легкие химические элементы – от углерода до железа, – тогда как начинаются эти реакции с водорода и гелия, элементов, образовавшихся еще при Большом взрыве. Вторым героем этой истории стал блестящий молодой теоретик по имени Джон Бакал. Бакал вырос в Луизиане, отлично играл в теннис, а в старших классах был чемпионом по дебатам. В юности он планировал изучать философию и стать раввином. Проучившись год в Луизианском государственном университете, он отправился на летние курсы в Калифорнийский университет города Беркли. Бакалу там понравилось, и он остался в Калифорнии писать работу по философии на соискание степени бакалавра благодаря одному родственнику, согласившемуся покрыть расходы на обучение.

Для получения этой степени Бакал был обязан пройти курс по естествознанию. Молодой человек добился, чтобы ему разрешили выбрать физику в качестве профилирующей дисциплины, хотя в старших классах вообще не занимался естественными науками. Именно тогда Бакал открыл в себе настоящую страсть к физике. Позже он вспоминал: «Это было самое сложное, чем мне приходилось заниматься в жизни, но я запал на естественные науки. Я был восхищен самим фактом, что, немного разбираясь в физике, ты начинаешь понимать, как именно устроен мир, как садится солнце и летают самолеты, причем на каждый вопрос есть правильный ответ, с которым все согласны». Затем Бакал получил степень магистра по физике в Чикагском университете и докторскую степень в Гарварде.

В 1960 г., будучи научным сотрудником в Университете Индианы, Бакал отправил в журнал Physical Review статью о процессах бета-распада, протекающих внутри звезд. Как же он удивился, получив письмо об этой статье от Вилли Фаулера, причем еще до публикации самой статьи! Фаулер попросил редактора журнала составить для него конспект этой статьи, а в письме Бакалу предложил молодому философу перебраться на работу в Калифорнийский технологический институт. Работа Бакала так впечатлила Фаулера, что он написал о молодом теоретике и Рэю Дэвису, посоветовав связаться с Бакалом. Действительно, Дэвис написал Бакалу, попросив того помочь ему уточнить активность образования солнечных нейтрино, рассчитав темпы соответствующих ядерных реакций. Бакал с радостью согласился помочь, так между ними завязалось тесное научное сотрудничество и близкая дружба, продлившаяся более 50 лет.

Поначалу Бакал недооценил масштаб задачи, которую поставил перед ним Дэвис. Спустя несколько десятилетий в интервью журналу Nova он признавался: «Когда я оказался в Калифорнийском технологическом и попытался рассчитать, сколько нейтрино должно прилетать от Солнца, я осознал, что эта проблема несравнимо сложнее, чем мне казалось на первый взгляд, поскольку на Солнце наперегонки друг с другом идет сразу множество ядерных реакций». Более того, Бакалу предстояло определить различные характеристики солнечных недр – химический состав, температуру, плотность, давление – с максимально возможной точностью. Только после этого он мог бы предоставить Дэвису достоверную оценку количества нейтрино, образующихся на Солнце. Результаты первых вычислений Бакала были удручающими: он подсчитал, что 3800-литровый резервуар Дэвиса позволяет зарегистрировать примерно один нейтрино за 100 дней. По оценке Бакала, даже если бы Дэвису удалось соорудить детектор в 100 раз объемнее, то он мог бы ловить примерно по одной частице в день, чего явно недостаточно для надежного измерения солнечных ядерных реакций.

Но хорошие новости пришли с другого фронта. Обратив внимание на гипотезу датского физика, Бакал обнаружил, что хлор должен захватывать нейтрино в 20 раз эффективнее, чем предполагалось ранее. Планы Дэвиса получили новый сильнейший импульс. Теперь, имея реальную перспективу ловить несколько солнечных нейтрино ежедневно, Дэвис считал целесообразным и конструирование нового большого детектора. Он знал, что для защиты этого тонкого эксперимента от космических лучей установку следует расположить примерно в 1,5 км под землей.

Хотя финансирование для этого грандиозного проекта еще даже не просматривалось, в 1963 г. Дэвис стал искать подходящие глубокие шахты по всей территории США. В этом ему помогал Блэр Манхофен, коллега Дэвиса по Брукхейвенской лаборатории. Горное бюро США официально рекомендовало Дэвису рассмотреть два варианта: золотой рудник Хоумстейк в Южной Дакоте и медный рудник Анаконда в Монтане. Дэвис и Манхофен лично побывали на обеих шахтах. Владельцы рудника Анаконда очень хотели, чтобы ученые выбрали для эксперимента именно их шахту, поэтому предложили по низкой цене выполнить бетонную облицовку цилиндрической исследовательской скважины. Но Дэвис и Манхофен пришли к выводу, что сами горные породы в Анаконде не позволяют выкопать достаточно объемную полость на требуемой глубине. В Хоумстейк подготовка такой полости технически не составляла проблем, но такие работы должны были обойтись достаточно дорого. Поэтому коллеги-физики решили поискать другие варианты. Наконец, они отыскали серебряный рудник Саншайн в штате Айдахо, подходивший им и с технологической, и с бюджетной точки зрения. Итак, место было найдено, оставалось выбить деньги под эксперимент.

Это был уже очень серьезный этап. Дэвис и Бакал решили обратиться за официальным одобрением эксперимента и финансированием к директору Брукхейвенской лаборатории Морису Гольдхаберу. Гольдхабер был физиком-ядерщиком, он сомневался, что астрономы вообще способны что-то вычислить с настолько высокой точностью, чтобы это было ему интересно. Дэвис знал об этом предубеждении Гольдхабера, поэтому посоветовал Бакалу в разговоре с директором сделать акцент на ядерной физике, а не на астрофизике. Прием сработал – Гольдхабер санкционировал этот эксперимент и согласился оплатить его за счет лаборатории. Позже Бакал с воодушевлением описывал это достижение как «величайшую дипломатическую победу Рэя».

В начале 1964 г. Бакал и Дэвис сформулировали свою теорию и описали эксперимент в двух статьях. Они описали возможность использования резервуара объемом 380 000 л безводной моющей жидкости в качестве детектора солнечных нейтрино. Эти материалы привлекли самое пристальное внимание широкого научного сообщества. Понтекорво, живший в СССР, изучил эти статьи с большим интересом. Планы Бакала и Дэвиса по охоте за нейтрино освещались даже в СМИ, и такая публичность принесла неожиданную пользу: когда планы по постановке опыта на шахте Саншайн неожиданно сорвались (жаль, а ведь название было в самую точку[24]), к ученым обратились владельцы шахты Хоумстейк, предложившие гораздо более привлекательную смету земляных работ. Производители промышленных резервуаров также гораздо сильнее заинтересовались в этом эксперименте. В послании к Бакалу, написанному в тот период, Дэвис отмечал: «Эти резервуарщики стали воспринимать нас гораздо серьезнее после выхода статьи в Time».