Ирина Радунская - Проклятые вопросы
НЕЙТРИНО
Нейтрино впервые появилось в мыслях физика-теоретика, знаменитого В. Паули, ещё в 1930 году. К этому времени физики-экспериментаторы, проводя опыты с радиоактивными веществами, выделяющими электроны, постоянно приходили к противоречию с законом сохранения энергии и законом сохранения движения. Паули рискнул утверждать, что здесь нет противоречия. Вернее, можно избежать противоречия, признав, что в этих опытах, кроме электронов, выделяются частицы, не обнаруживаемые приборами! Он даже прикинул, какими свойствами обладают такие частицы. Они не имеют электрического заряда. Их масса очень мала, меньше чем одна сотая массы протона.
Учёные сначала отнеслись с недоверием к гипотезе Паули. Надо ли, говорили некоторые из них, придумывать новую частицу, свойства которой таковы, что её невозможно обнаружить? Надо, считали другие. Надо потому, что без неё невозможно понять, каким образом объяснить эти опыты, не привлекая ещё более невероятного допущения: нарушения законов сохранения энергии и движения.
Так думал и итальянец Э. Ферми. В 1932 году он предложил дать неуловимой частице имя «нейтрино». «Ино» — уменьшительное от нейтрон. Нейтрон — нейтральная (не имеющая электрического заряда) частица, с массой, близкой к массе протона, открытая в том же 1932 году англичанином Д. Чэдвиком. Нейтрино — маленький нейтрончик.
Сегодня нейтрино уже не сюрприз в науке, и можно было бы о них не вспоминать, если бы они не играли одну из главных ролей в повести о сверхновых.
Ещё через два года Ферми опубликовал последовательную теорию бета-распада, процесса, при котором радиоактивное ядро испускает электрон и нейтрино. Эта теория приобретает особенно простой вид, если предположить, что нейтрино не может находиться в покое, а всегда движется со скоростью света. Но этим удивительное прозрение Ферми не кончалось.
Суть теории Ферми в том, что внутри ядра протон может превращаться в три частицы: нейтрон, позитрон (положительно заряженный родственник электрона, его можно было бы назвать антиэлектроном) и нейтрино. В свою очередь нейтрон может внутри ядра превращаться в протон, электрон и антинейтрино.
Постепенно такой вариант теории стал общепризнанным, и во всех учебниках говорилось о том, что масса покоя нейтрино и антинейтрино равна нулю.
В 1936 году советский физик А. И. Лейпунский в тонких экспериментах обнаружил движение атомных ядер при испускании электрона и антинейтрино. Это движение подобно движению ружья при отдаче во время выстрела. Но ружьё испытывает толчок точно по направлению, противоположному направлению движения пули. Ядро же испытывает толчок в направлении, вовсе не противоположном улетающему электрону. Примирить результаты этого опыта с законами сохранения вещества можно было только в том случае, если признать справедливость теории бета-распада, признать, что в таких процессах принимают участие антинейтрино.
Однако фантастичным и нереальным это выглядит только для непосвящённых. Интенсивные потоки антинейтрино сегодня выделяются атомными реакторами. Этим и воспользовались американские физики Ф. Райнес и К. Коуэн, в 1953–1956 годах изучая обратный бета-распад, при котором антинейтрино объединяется с протоном, образуя позитрон и нейтрон.
В 1946 году Б. Понтекорво, итальянский физик, переехавший жить и работать в СССР, придумал реакцию, способную выяснить: являются ли нейтрино и антинейтрино различными частицами, или они тождественны? В этой реакции нейтрино, взаимодействуя с ядром атома хлора-37, должно превращать его в ядро аргона-37. При этом обязан выделяться позитрон.
В 1955–1956 годах американец Р. Девис по-своему реализовал идею Понтекорво. Он облучил четырёххлористый углерод потоком антинейтрино от атомного реактора. Если нейтрино и антинейтрино тождественны, то приборы должны были обнаружить рождение электронов. Но их не было. Значило ли это, что нейтрино и антинейтрино не тождественны между собой?
Чтобы понять тревожившие учёных сомнения, нам придётся отойти ещё на десятилетие назад, когда английский астроном, друг Эйнштейна А. С. Эддингтон, установил, что длительное существование звёзд, в том числе и Солнца, возможно только при условии равенства между энергией, выделяющейся в их недрах, и энергией, излучаемой поверхностью. Для «спокойной жизни» звезды у неё должно быть как бы ровное «дыхание». Первоначально предполагалось, что источником энергии звезды является сила тяжести, постепенно сжимающей звезду. Но расчёты показали, что сжатие звезды, ведущее к выделению энергии, не способно поддерживать существование звёзд в течение длительного времени. Недостаточно для этого и хорошо изученного распада ядер радиоактивных атомов.
В 1920 году Эддингтон предположил, что источником энергии является термоядерный синтез, при котором происходит превращение ядер лёгких элементов в ядра более тяжёлых элементов. Простейшей реакцией такого рода является объединение четырёх протонов в ядро гелия. Но это были лишь домыслы и предположения. Они в то время не подтверждались ни более детальной теорией, ни экспериментом.
Загадка тревожила астрофизиков до 1938 года, когда немецкий физик П. Бете путём строгого анализа показал, что источником энергии, способным поддерживать свечение звёзд в течение миллиардов лет, действительно может являться ядерная реакция, в ходе которой четыре протона в конечном итоге образуют ядро гелия. Затем он установил, что такое же слияние может осуществиться не непосредственно, а с участием ядер углерода и азота.
Энергия, выделяемая в этих реакциях, огромна, она эквивалентна ежесекундному уменьшению массы Солнца приблизительно на четыре миллиона тонн! Интересно отметить, что при этом удельное выделение энергии, то есть выделение энергии на один грамм массы Солнца равно всего двум эргам в секунду. Это много меньше удельного выделения энергии в процессе обмена веществ в живом организме.
Учёным было важно убедиться, что в ходе этих реакций при образовании каждого ядра гелия возникает по два нейтрино. Это открывает возможность непосредственной проверки правильности теории Бете. Такое утверждение может показаться странным тем, кто знает, что поток нейтрино способен пройти сквозь толщу земного шара или Солнца, практически не уменьшаясь по интенсивности. Взаимодействие нейтрино с остальным веществом столь мало, что только одна из 1011 частиц останавливается или отклоняется на пути от центра Солнца к его поверхности (1011 значит, что после единицы стоит одиннадцать нулей, иначе говоря — сто миллиардов). Именно поэтому нейтрино возникло как «ненаблюдаемый» участник бета-распада.
Так считалось до развития современной атомной технологии. Мы уже знаем, что Понтекорво предложил реакцию для обнаружения нейтрино. Из этого предложения родилась нейтринная астрономия. В 1964 году Девис, о котором мы уже говорили, решил использовать реакцию Понтекорво для ловли нейтрино, рождающихся в недрах Солнца. Расчёт показал ему, что нейтрино уносят около трёх процентов полной энергии, излучаемой Солнцем. Их так много, что через каждый квадратный сантиметр поверхности Земли ежесекундно проходит около ста миллиардов этих частиц. Но можно ли обнаружить хоть одну из них, если такое же количество нейтрино уменьшается лишь на единицу на огромном пути от центра Солнца к его поверхности?
ХИМЧИСТКА И НЕВЫСОКАЯ НАУКАНесмотря на очевидную сложность задачи, Девис решился. Под его руководством в шахте на глубине около 1600 метров был установлен детектор нейтрино. В современной науке трудится бесчисленное множество детекторов самых разных назначений и самых разных объёмов и размеров. Тот, о котором идёт речь сейчас, — детектор нейтрино — гигант. Это бак объёмом около 380 кубических метров, заполненный четырёххлористым углеродом, жидкостью, часто применяемой для чистки одежды. Бак помещается внутри ещё более крупного бака. Пространство между ними заполнено водой. Её назначение — поглотить те нейтроны и протоны, которые могут возникать из космических частиц (мюонов), проникающих через толщу скал, или в ходе распада небольших количеств радиоактивных примесей, содержащихся в скальном грунте.
Детектор в течение нескольких месяцев подвергался действию солнечных нейтрино, те превращали часть атомов хлора-37 в атомы аргона-37. Затем вновь рождённые атомы отделялись от жидкости.
Дальнейшим этапом было наблюдение радиоактивного распада ядер аргона-37, при котором выделяются электроны, — это и есть бета-распад.
Оценки показали, что вероятность захвата солнечных нейтрино с образованием ядра аргона-37 в огромном детекторе столь мала, что один захват может происходить только раз в шесть дней. За три месяца можно было ожидать пятнадцать таких захватов. В свою очередь половина образовавшихся ядер аргона-37 лишь в течение 35 суток выделит по одному электрону и снова превратится в ядра хлора-37.
