Бруно Понтекорво - Атомный проект. Жизнь за «железным занавесом»

Эта популярность микромира еще не распространилась на все элементарные частицы. Одна из них — нейтрино (по-итальянски нейтрино значит «нейтральненький») — довольно мало известна. Когда меня попросили выступить с рассказом о нейтринной астрономии, в телеграмме, которую я получил от редакции, речь шла о нейтронной астрономии. Я вспомнил об этом не для того, чтобы оправдываться опечаткой за то, что до сих пор говорю только о нейтронах. Эта опечатка телеграфиста явно обусловлена популярностью нейтрона и неизвестностью нейтрино.

Бедное нейтрино! Но не всегда это будет так: я уверен, что в недалеком будущем оно обретет должную славу, даже оно войдет в жизнь людей, но не так драматично, как вошел в нашу жизнь нейтрон. Дело в том, что нейтрино играют огромную роль для понимания некоторых фундаментальных законов взаимодействия и взаимного превращения элементарных частиц друг в друга. Нейтрино участвуют в тонких, сложных, но удивительно привлекательных процессах, с выяснением которых, безусловно, будет связана ломка наших физических представлений. Немалую роль играют нейтрино и в астрофизике. Конечно, отсутствие практических применений некоторых видов элементарных частиц (нейтрино, мезоны, гипероны) не уменьшает важности исследований их свойств. Здесь особенно неуместен узкий эмпиризм (вроде: «А что нейтрино дает рязанским колхозникам?»). Вот как президент Академии наук СССР академик М. В. Келдыш охарактеризовал значение исследований в области элементарных частиц: «Наиболее далеко идущие перспективы в области открытия новых источников энергии принесло изучение структуры атомного ядра, природы элементарных частиц и их взаимодействия. На этом пути открыт ряд важнейших свойств материи, знание которых все шире используется в самых различных областях техники и науки. Теоретические и экспериментальные исследования в области ядерной физики и физики элементарных частиц должны являться одним из центральных направлений науки».

Поэтому в Советском Союзе огромное внимание уделяется этой области физики, которая наиболее детально и глубоко выясняет природу материи. У нас создаются колоссальные ускорители заряженных частиц, ведутся теоретические и экспериментальные исследования, изучаются космические лучи.

Из всего сказанного ясно, что в микромире должно быть много неожиданностей. Но, без сомнения, удивительнейшая из всех элементарных частиц — это нейтрино. Самое характерное свойство нейтрино — его потрясающая проникающая способность. Это напоминает мне анекдот о человеке, который, глядя на жирафа в зоопарке, бормочет: «Не может быть». Пусть читатель судит сам: нейтрино могут беспрепятственно проникать, скажем, через чугунную плиту, толщина которой в миллиард раз превышает расстояние от Земли до Солнца. Здесь даже у самого спокойного читателя должны возникать скептические вопросы: а как можно поймать эту неуловимую частицу? А как вообще можно утверждать, что она существует?

Я боюсь, что скептицизм читателя намного увеличится, если скажу, что нейтрино было открыто «теоретически» около тридцати лет назад швейцарским физиком Паули. Поэтому я хочу сразу успокоить читателей: недавно экспериментаторы поймали нейтрино. Но зачем нужно было его «придумывать»? Как часто бывает в науке, новые идеи выдвигаются тогда, когда в рамках существующего знания возникает парадокс. «Изобретение» нейтрино вызвано кажущимся парадоксом, обнаруженным при экспериментальном исследовании самопроизвольного испускания электронов атомными ядрами (так называемого процесса бета-распада). Оказалось, что измеренные энергии вылетающих электронов в этом процессе не строго определенные, а самые разнообразные. В большинстве случаев энергии явно не хватало. Создавалось впечатление, что она куда-то исчезает, как будто закон сохранения энергии не был верен. Трудности были настолько серьезными, что знаменитые физики предлагали даже отказаться от закона сохранения энергии! Кажущееся несохранение энергии, однако, имело довольно странный характер. Действительно, если энергия не сохраняется в процессе бета-распада, следовало бы ожидать, что в одних случаях энергия испускаемых электронов будет слишком мала, а в других — слишком велика. Однако оказалось, что «выигрыша» энергии не бывает. Таким образом, факты, которым в науке всегда принадлежит последнее слово, а не естественное стремление сохранить незыблемыми законы, заставили высоко держать знамя сохранения энергии. Но как объяснить результаты наблюдений? «Изобретатель» нейтрино рассуждал так: кажущееся исчезновение энергии обусловлено тем, что процесс бета-распада просто-напросто неправильно описан. В распаде должна участвовать не наблюдаемая в опыте нейтральная частица, уносящая «исчезнувшую» энергию. И хотя в каждом процессе выделяется точно определенная суммарная энергия всех частиц, она распределяется между продуктами распада так, что в разных случаях электрон получает разные ее порции.

Итак, нейтрино — это частица, которая при бета-распаде уносит часть энергии. Так предполагали физики-теоретики, которые с самого начала «изобрели» ее как неуловимую частицу. И сразу же были предсказаны ее свойства: она должна быть электрически нейтральной и чрезвычайно малой по массе (иначе бы ее легко наблюдали). Последнее свойство, согласно теории относительности, приводит к тому, что нейтрино (если у него нет «массы покоя») не может находиться в состоянии покоя: оно всегда движется со скоростью света. Кроме того, неотъемлемым свойством нейтрино должно быть вращение.

Как выяснилось после открытия других элементарных частиц, особенно мезонов, нейтрино принимает участие и в других процессах, помимо бета-распада ядер. Его присутствие обнаруживается всегда, когда энергия как будто исчезает. Кстати, в этих процессах характер «несохранения» энергии более чем подозрителен и требует существования нейтрино даже более ясно, чем в случае бета-распада. Так, например, в одном виде процессов распада мезонов всегда исчезает определенная энергия. Если бы эти процессы были известны раньше, чем бета-распад, не было бы необходимости в гении Паули для «изобретения» нейтрино — этого непойманного вора энергии.

Я надеюсь, что сказанного достаточно для того, чтобы убедить читателя в теоретической обоснованности существования нейтрино. Но нельзя забывать, что, несмотря на свою неуловимость, нейтрино вполне материально и в принципе доступно регистрации, что его «ненаблюдаемость» вызвана лишь трудностями экспериментальной техники. Поэтому физики, равно как и читатели этой статьи, вправе требовать «железной» проверки гипотезы нейтрино. Поймать «неуловимое», зафиксировать в физическом приборе эффект, вызванный нейтрино вдали от источника его возникновения, — вот что было необходимо для того, чтобы снять мистический ореол с этой таинственной частицы.