Рудольф Киппенхан - Рудольф Киппенхан 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд
Рис. 5.5. Нейтрино может привести к превращению атома хлора в атом аргона. При этом освобождается электрон.
С атомами хлора могут взаимодействовать только нейтрино высоких энергий. Нейтрино, которые возникают в реакциях протон-протонной цепочки, обладают слишком низкой энергией. Они не могут взаимодействовать с атомами хлора. Позволяют ли нам наши представления о строении звезд найти на Солнце источник нейтрино с высокими энергиями? Оказывается, что наряду с протон-протонной цепочкой происходят другие, сопутствующие ядерные реакции. Эти реакции не вносят практически никакого вклада в выделение энергии на Солнце, и поэтому мы их пока не рассматривали. Среди этих реакций есть одна, которая происходит тем чаще, чем больше гелия образовалось в недрах звезды. Она схематически показана на рис. 5.6. Нормальный атом гелия с массовым числом 4 сталкивается с ядром изотопа гелия с массовым числом 3. При этом возникает бериллий с массовым числом 7. Если с этим атомом до того, как он самопроизвольно распадется, столкнется протон, то возникнет изотоп бора с массовым числом 8. Такие атомы бора тоже радиоактивны, и они через некоторое время снова превращаются в атомы бериллия. Но в результате такого превращения образуются позитрон и нейтрино с высокой энергией.
Рис. 5.6. В побочной цепи реакций, протекающих наряду с реакциями водородного цикла (см. рис. 3.3), возникает радиоактивный изотоп бериллия Be8, который испускает позитрон и нейтрино высокой энергии. Красными волнистыми стрелками обозначено испускание квантов света.
Нейтрино, возникающие при такой реакции, как раз подходят для взаимодействия с ядрами хлора! Эти нейтрино также проникают через вещество, практически не взаимодействуя с ним, даже если речь идет о большом количестве хлора. Однако атомы хлора все же взаимодействуют, хотя и очень редко, с пролетающими нейтрино. На этом основан уже упомянутый эксперимент Девиса.
Нейтринный эксперимент Раймонда Девиса
Оказалось, что можно построить детектор для солнечных нейтрино. К сожалению, этот детектор позволяет фиксировать только те нейтрино, которые возникают в результате побочной реакции превращения бериллия в бор. Эта реакция несущественна для астрофизических процессов в недрах звезд. Такой детектор не позволяет увидеть нейтрино, возникающие в результате чрезвычайно важных для Солнца (а значит, и для нас) реакций водородного цикла. Но если наша модель Солнца правильна, то она будет предсказывать и количество высокоэнергетических нейтрино.
Девис задумал такой эксперимент. В большой контейнер помещается 390000 литров перхлорэтилена. Этот контейнер помещен на глубине 1500 метров под землей и дополнительно защищен толстым слоем воды. Такая защита позволяет исключить нежелательные побочные ядерные реакции. Перхлорэтилен представляет собой жидкость, которая применяется главным образом при химической чистке одежды и близка по свойствам к хорошо известному нам четырех-хлористому углероду. Каждая молекула этого вещества содержит четыре атома хлора, среди которых иногда встречается и чувствительный к нейтрино изотоп Сl37. Использование перхлорэтилена является наиболее дешевой и удобной возможностью сконцентрировать в небольшом объеме много атомов хлора. Эти атомы облучаются в каждый момент времени нейтрино, прилетающими к нам с Солнца. При этом почти ничего не происходит. Многочисленные нейтрино с низкой энергией, которые возникают в результате реакций водородного цикла, проходят через контейнер с перхлорэтиленом, не взаимодействуя с хлором. Однако можно обнаружить нейтрино с высокими энергиями, которые образуются при радиоактивном распаде изотопа бора. Если количество нейтрино высоких энергий правильно оценивается астрофизической моделью Солнца, то в контейнере каждый день в среднем один атом хлора под воздействием солнечного нейтрино будет превращаться в атом аргона.
Чем дольше мы будем ждать, тем больше образуется атомов аргона. Но через 35 дней аргон вновь распадается с образованием хлора. Если перхлорэтилен долго подвергается воздействию потока солнечных нейтрино, то через некоторое время устанавливается своеобразное равновесие: за определенный промежуток времени возникает и распадается в среднем одно и то же количество атомов аргона. К сожалению, концентрация атомов аргона, возникающих в таком контейнере, очень мала. Если наша модель процессов на Солнце правильна, то во всем контейнере будет находиться всего около 35 атомов аргона. Эти атомы нужно отыскать и подсчитать.
Задача о поиске 35 атомов аргона в 610 тоннах жидкости оставляет далеко позади задачу о поиске иголки в стоге сена. Количество атомов хлора только в одном кубическом сантиметре жидкости выражается 22-значным числом, а в контейнере Девиса содержится 390000 литров, т. е. 390 миллионов таких кубических сантиметров! И в этом огромном объеме нужно найти всего-навсего 35 атомов аргона! Но, к счастью, эту задачу можно решить. Атомы аргона можно «отмыть» из перхлорэтилена с помощью гелия, который продувается через объем жидкости. Предварительные опыты показали, что этот способ позволяет выделить из перхлорэтилена примерно 95 % всех атомов аргона. Изотоп аргона, который образуется при взаимодействии хлора с солнечными нейтрино, радиоактивен. Поэтому после выделения этих атомов из контейнера их можно легко подсчитать, фиксируя акты радиоактивного распада.
В жидком перхлорэтилене, который «отмыт» от атомов аргона, образуются новые ядра аргона. Спустя некоторое время они вновь «отмываются» гелием и опять подсчитываются. Таким образом, контейнер с перхлорэтиленом представляет собой неисчерпаемый детектор, в котором постоянно образуются радиоактивные атомы аргона.
В таком контейнере можно ожидать в среднем одно превращение хлора в аргон за сутки. Но, к сожалению, эксперименты, проводившиеся в течение нескольких лет, показали, что одна такая реакция происходит в среднем только раз в четыре дня. Поэтому мы должны прийти к выводу, что на Солнце в каждую секунду образуется только четверть ожидаемых нейтрино с высокими энергиями.
Астрофизики вновь и вновь проверяли свою модель Солнца, а Девис постоянно искал возможные источники ошибок в своем эксперименте. Но несоответствие не исчезло. Что же неправильно в наших уравнениях, описывающих Солнце? Какие ошибки могут содержаться в методике эксперимента в заброшенной шахте по добыче золота?
Трудно себе представить, что все решения, полученные нами с помощью компьютера, неверны. Компьютерная модель Солнца дает слишком хорошее совпадение со многими наблюдаемыми свойствами Солнца. Это мы уже видели выше. В действительности даже небольшие поправки к результатам расчетов позволяют уменьшить ожидаемый поток высокоэнергетических нейтрино, и расхождение с экспериментом исчезает. Чтобы добиться такого результата, достаточно лишь немного понизить температуру в центре Солнца по сравнению с данными нашей компьютерной модели. Непонятно только, почему температура в центре Солнца должна быть меньше, чем предсказывают расчеты.
Расхождение между экспериментом и расчетами можно было бы объяснить, если бы нейтрино могли распадаться со временем. Но современная физика элементарных частиц не допускает такой возможности. Если бы эти частицы, как и некоторые другие, распадались спустя короткое время после своего возникновения (а они летят от Солнца до Земли всего 8 минут), то не было бы ничего удивительного в том, что эксперименты с хлором фиксируют меньше нейтрино, чем предсказывает компьютерная модель. Но физики твердо стоят на том, что нейтрино не могут самопроизвольно распадаться, поэтому такой выход из создавшегося положения недопустим.
Лично я не верю, что наша компьютерная модель может содержать какие-то существенные ошибки. Скорее всего, неправильно подсчитана скорость ядерных реакций взаимного превращения бериллия и бора. Что будет, если два ядра гелия, нормальный Не4 и легкий Не3 (с которых начинается эта реакция, рис. 5.6), взаимодействуют друг с другом реже, чем предсказывают специалисты по ядерной физике? Разве на Солнце что-нибудь при этом существенно изменится? Нет, поскольку солнечная энергия возникает в основном за счет реакций водородного цикла, а эти реакции никак не зависят от взаимодействия изотопов гелия. Таким образом, на Солнце ничего не изменится, но уменьшится поток нейтрино высоких энергий, что соответствует результатам эксперимента с хлором. Поэтому я не верю, что опыты с перхлорэтиленом могут существенно изменить наши представления о внутреннем строении Солнца.
Эксперимент с галлием
Кроме хлора существуют и другие элементы, ядра которых могут взаимодействовать с нейтрино. Одним из них является изотоп элемента галлия. Его массовое число составляет 71. После захвата нейтрино этот изотоп превращается в ядро элемента германия. Существенное отличие от эксперимента с хлором состоит в том, что в эксперименте с галлием можно подсчитать и нейтрино низких энергий. Галлиевый детектор считает нейтрино, возникающие в результате реакций водородного цикла. Таким образом, эксперимент с галлием позволил бы определить интенсивность реакции, которая вносит основной вклад в выделение энергии на Солнце, а не фиксировать нейтрино побочной реакции.
