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

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».

Извлечение горных пород на шахте Хоумстейк началось весной 1965 г. и заняло около двух месяцев. Когда Дэвис и Блэр Манхофен спустились на 1,5-километровую глубину, чтобы лично осмотреть получившуюся гигантскую полость, они остались очень довольны. Дэвис обратился в Chicago Bridge and Iron Company, которая ранее занималась изготовлением герметичных космических отсеков для NASA, и заказал им резервуар для эксперимента. Компания справилась с работой за год. Резервуар как следует вычистили и крепко запечатали, чтобы не допустить попадания атмосферного аргона в жидкость и таким образом избежать загрязнения. Позже Дэвис и Бакал узнали, что компания «не заинтересовалась бы изготовлением такого небольшого, достаточно незамысловатого бака, какой требовался для нейтринного эксперимента, но ее привлекли цели эксперимента как таковые, а также необычное место для установки резервуара». Далее на шахту из Канзаса прибыл состав из 10 железнодорожных цистерн с безводным моющим средством. Ученые доставляли жидкость вниз к резервуару в специально изготовленных для этого контейнерах, воспользовавшись проложенной в шахте узкоколейкой и подъемником. На последнем этапе подготовки эксперимента потребовалось удалить из жидкости весь растворенный в ней воздух, чтобы избавиться от малейших следов аргона.

К осени 1966 г. все было готово к началу эксперимента. Итоговая цена проекта составила $600 000, как выразился Дэвис, «по стоимости – как 10 минут эфирного времени на коммерческом телеканале». Тем временем Бакал продолжал уточнять свои оценки, высчитывая, сколько примерно нейтрино Дэвис сможет обнаружить при помощи нового аппарата. По самым оптимистичным оценкам Бакала, нейтрино, взаимодействующие с атомами хлора в жидкости, должны порождать несколько десятков атомов аргона в месяц.

Дэвис был уверен, что практически все эти атомы удастся выудить. Он был не склонен делать громкие заявления, скромно сравнивая себя с «сантехником», имея в виду, что вся необходимая работа для решения важнейшей задачи захвата солнечных нейтрино сводится к прозаической постройке и эксплуатации большого бака и опутывающих его труб. Правда, требовалось с максимальной тщательностью избегать даже малейшей разгерметизации. Но Бакал описывал ситуацию так: «Сам не будучи химиком, я был просто поражен масштабами этого проекта и тем, насколько филигранно мы подходили к его реализации… Он сможет найти в этом баке несколько атомов [радиоактивного аргона] и извлечь их оттуда, и в таком случае мы будем уверены, что они возникли под действием солнечных нейтрино. Поневоле задумаешься, так ли сложно найти иголку в стоге сена».

Сборка резервуара, который был использован Рэем Дэвисом в эксперименте по регистрации солнечных нейтрино в золотом руднике Хоумстейк

(Brookhaven National Laboratory)

На самом деле, чтобы получить свой улов, Дэвису предстояло выполнить работу, состоявшую из сложнейших этапов. Сначала требовалось ждать несколько недель, пока от контакта с нейтрино несколько атомов хлора превратятся в аргон. Затем резервуар следовало под напором продуть гелием, который увлекал за собой аргон в охлажденный уловитель с абсорбентом из древесного угля. При очень низкой температуре аргон конденсировался в этом уловителе, отделяясь от гелия. Затем Дэвис подогревал уловитель, чтобы аргон выделился в газообразном виде, собирал его и химически очищал, чтобы избавиться от следов каких-либо других радиоактивных элементов. Конечный образец, сравнимый по размеру с кубиком рафинада, содержал обычный аргон, а также несколько атомов аргона-37, образовавшихся в результате попадания нейтрино в атомы хлора. При помощи счетчика Гейгера Дэвис определял количество атомов радиоактивного аргона, которое соответствовало количеству высокоэнергетических нейтрино, прилетевших с Солнца. Действительно, добыча всего нескольких особенных атомов из резервуара, в котором насчитывалось около миллиона триллионов триллионов (1030) атомов, была потрясающим достижением.

Проведя на руднике Хоумстейк около двух лет за сбором данных, Дэвис обнародовал первые результаты своих исследований на конференции, состоявшейся в Калифорнийском технологическом институте в 1968 г. Он объявил, что в ходе эксперимента удалось зарегистрировать солнечные нейтрино, но всего треть от того количества, которое ориентировочно вывел при своих расчетах Бакал. Сам факт, что кому-то удалось обнаружить солнечные нейтрино (фактически – впервые заглянуть в сердце звезды), уже был примечательным достижением. Но все газеты наперебой сообщали не об этом, а об исключительном несоответствии между теорией и наблюдениями.

Бакал опасался, что результаты Дэвиса фактически могут опровергнуть его (Бакала) солнечную модель. На конференции в Калифорнийском технологическом молодой теоретик был так печален, что легендарный физик Ричард Фейнман (через три года получивший часть Нобелевской премии за работы в области квантовой электродинамики) предложил вместе выйти и немного проветриться. Пока двое ученых гуляли по кампусу, между ними завязался разговор. Бакал вспоминает, что Фейнман, наконец, попытался его подбодрить: «Понимаете, я ведь вижу, что эта лекция вас удручила; так вот, просто хотел сказать – поверьте, вы напрасно расстраиваетесь. Все мы слышали, что вам удалось сделать, никто не усмотрел никаких ошибок в ваших вычислениях. Не знаю, почему результаты Дэвиса с ними не согласуются, но в любом случае не падайте духом. Может быть, вы совершили что-то очень важное, мы просто еще не знаем этого наверняка». Дружелюбие Фейнмана и ободряющие слова глубоко тронули Бакала и помогли ему собраться с духом.

Такое несоответствие между теорией и практическими результатами заставляло задуматься не только о модели Бакала, но и о надежности эксперимента Дэвиса. Многие ученые сомневались, что Дэвису вообще удалось поймать солнечные нейтрино. Они указывали, что в резервуар вполне мог проникнуть атмосферный воздух и загрязнить жидкость детектора – не этим ли объясняется наличие «лишнего» аргона? Кроме того, действительно ли метод Дэвиса позволял извлечь считаные атомы аргона из такого огромного объема жидкости? Вилли Фаулер предложил Дэвису ответить на эту критику, продемонстрировав действенность описываемого метода: впрыснуть в жидкость 500 атомов радиоактивного аргона, как следует ее перемешать, а потом извлечь эти атомы обратно. Дэвис принял вызов и с легкостью выудил из резервуара весь радиоактивный аргон, до последнего атома.

Результаты проверки убедили некоторых скептиков, что экспериментальные приемы Дэвиса действительно работают. Вероятно, директор Брукхейвенской лаборатории Гольдхабер с самого начала был прав: астрофизики не вполне понимали, о чем идет речь. Другие скептики интересовались, не может ли этот результат объясняться чисто статистическими совпадениями. Ведь известно, что если несколько раз бросить монетку, то она с определенной вероятностью упадет орлом или решкой. Чтобы развеять подобные сомнения и повысить надежность эксперимента, Дэвис принялся дорабатывать детектор, чтобы аппарат лучше отличал истинные попадания нейтрино от фоновых помех. Бакал усовершенствовал свою солнечную модель, повторив вычисления с учетом новых данных о скорости протекания соответствующих ядерных реакций. К сожалению, ни все эти доработки, ни годы работы, потраченные на сбор новых данных, не устранили основной проблемы: слишком большой разницы между теоретическими прогнозами и наблюдениями.

Несмотря на добросовестную работу Дэвиса и Бакала, к началу 1970-х стало понятно, что до решения «проблемы солнечных нейтрино» еще очень далеко. Такая ситуация вынуждала многих ученых предлагать все новые решения этой задачи – от разумных до самых нелепых. Некоторые специалисты предлагали откорректировать стандартную солнечную модель – уточнить содержание тяжелых элементов в нашей звезде, скорость вращения солнечного ядра, учесть влияние магнитного поля. Австралийский математик Эндрю Прентис выступил с еще более радикальным, если не сказать ужасающим предложением: он выдвинул гипотезу, что Солнце уже выгорело и от него осталось лишь гелиевое ядро. Поскольку фотоны, образующиеся в солнечном ядре, достигают Земли спустя несколько десятков тысяч лет после своего возникновения, факт выгорания Солнца станет очевиден для нас лишь спустя некоторое время. Британский астрофизик Фред Хойл, известный своими внесистемными взглядами, предположил, что солнечное ядро состоит в основном из тяжелых элементов, которые окружены водородной оболочкой. Еще некоторые теоретики высказывали мнение, что в центре Солнца может находиться черная дыра, а энергия Солнца образуется совсем не в процессе ядерного синтеза, а под действием утекания материи в эту черную дыру, которая, в свою очередь, подпитывает Солнце. Наконец, некоторые ученые полагали, что все несоответствия связаны с тем, что мы просто ошибочно представляем себе свойства нейтрино. Сам Бакал размышлял, не являются ли нейтрино нестабильными и не распадаются ли они на другие частицы. Понтекорво и его советские коллеги отстаивали точку зрения, что нейтрино могут существовать в виде нескольких сортов, причем на пути от Солнца переходить из одного сорта в другой. Они считали, что детектор Дэвиса регистрирует нейтрино только одного типа – этим и может объясняться немногочисленность отловленных частиц.