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

Как мы видели, для того чтобы нейтрино прореагировало с веществом, оно должно быть пропущено сквозь астрономическую толщу вещества. Но чтобы поймать его в условиях эксперимента, можно пропускать «астрономическое» число нейтрино сквозь далекую от фантастической, скажем, метровую, толщину жидкого или твердого вещества.

На помощь пришло открытие и техническое освоение атомной энергии. Известно, какое огромное значение в науке и технике имеют ядерные реакторы — устройства, где в большом масштабе совершается деление ядер урана нейтронами. В каждом акте деления образуется несколько бета-радиоактивных ядер. Поэтому мощный урановый реактор как раз и есть нужный нам весьма интенсивный источник нейтрино. Рассмотрим, например, атомный реактор мощностью в несколько сотен тысяч киловатт. Полный поток энергии нейтрино, испускаемых этим реактором, по расчетам составит десятки тысяч киловатт. Очень много! И все же уловить «проскальзывающие» частицы крайне трудно. Сквозь защиту этого реактора, поглощающую все другие частицы, будет проникать десять тысяч миллиардов нейтрино в секунду через каждый квадратный сантиметр. Но как зафиксировать действие нейтрино? Здесь помогает теория. Она предсказывает, что должны иметь место процессы, в которых нейтрино поглощается протоном, превращающимся в нейтрон с испусканием электрона. Такие процессы, как бы обратные бета-процессам, и были обнаружены в блестящем и трудном опыте американскими физиками Райнесом и Коуэном. Можно рассчитывать, что нейтрино от нашего реактора, бомбардирующие тонну вещества, содержащего водород (иначе говоря, запас протонов), должны вызывать ежечасно около ста превращений протона в нейтрон. Эти превращения можно обнаруживать при помощи хорошо известных экспериментальных методов ядерной физики, способных регистрировать прохождение заряженных частиц. И это предвидение сбылось. «Неуловимая» уникальная частица была наконец поймана. Она занимает сейчас прочное место в семье фундаментальных «кирпичиков» материи.

Фантастическая проникающая способность нейтрино является отражением его чрезвычайно слабого взаимодействия с другими частицами. Между прочим, такое же взаимодействие испытывают и все другие элементарные частицы. Однако они наряду со слабыми испытывают и иные, несравнимо более сильные взаимодействия. Поэтому-то проникающая способность измеряется только, скажем, десятками сантиметров чугуна. А нейтрино уникально тем, что оно подвержено только слабым взаимодействиям, являясь, так сказать, их чистейшим представителем.

Урановые реакторы помогли выяснить еще одну важную характеристику нейтрино. Известно, что в природе имеется очень красивая симметрия, которая в последние несколько лет была окончательно подтверждена рядом фундаментальных опытов. Симметрия эта состоит в том, что каждой частице соответствует двойник — античастица, имеющая точно ту же массу, а все «заряды» — противоположного знака. Под «зарядом» здесь понимается любая внутренняя характеристика частицы, которой приписывается знак: или положительный, или нейтральный, или отрицательный. Неотъемлемыми свойствами любого вида заряда (не обязательно электрического) являются неуничтожаемость и дискретность, то есть способность принимать только вполне определенные значения.

Ясно, что электрически заряженная частица, скажем, отрицательный электрон, будет отличаться от своей античастицы — положительного электрона. Но и электрически нейтральная частица может отличаться от своей античастицы. Конечно, если все заряды данной частицы равны нулю, то частица тождественна со своей античастицей. Она истинно нейтральна, то есть лишена всех зарядов. А как обстоит дело в случае с нейтрино? Читатель уже знает, что оно электрически нейтрально. Но является ли нейтрино истинно нейтральным? Отличается ли оно от антинейтрино?

Опыты с реактором дали следующий ответ: да, нейтрино и антинейтрино — разные частицы. Нейтрино имеет неэлектрический, так называемый нейтринный заряд. Природа этого заряда очень любопытна. Она выяснилась только несколько лет назад, особенно благодаря теоретическим работам китайских физиков Ли и Янга и советского физика Ландау. Оказывается, что нейтрино и антинейтрино вращаются в разные стороны по отношению к направлению их движения. В этом и состоит единственная разница между ними. Сущность нейтринного заряда — это «спиральность», причем нейтрино будет напоминать штопор с левыми витками, а антинейтрино — штопор с правыми витками.

А сейчас я должен извиниться перед читателями: выше я говорил для простоты, что урановый реактор — источник нейтрино, но это неверно: в действительности, если исходить из общепринятого определения, реактор испускает антинейтрино.

То, что я рассказывал до сих пор, — это прошлое нейтрино. Но исследования свойств этой частицы бурно развиваются, и мне хочется сказать хотя бы несколько слов о нерешенных загадках. Речь идет о физике нейтрино высоких энергий — новой области исследований элементарных частиц, только что созданной работами советских и зарубежных физиков. Нейтрино, рождающиеся в реакторах, обладают энергией в несколько миллионов электронвольт. Это в миллион раз больше энергии электронов в атоме. Но сегодня, когда имеются машины, ускоряющие частицы до десятков миллиардов электронвольт, реакторы уже рассматриваются как источники нейтрино «низкой энергии».

Но дело не только в величине энергии: физика нейтрино высоких энергий исследует нейтрино мезонной природы, то есть частицы, рождающиеся при распаде мезонов. Здесь сразу же возникает вопрос: являются ли «неуловимые» нейтрино, испускаемые в совершенно разных процессах, тождественными частицами? Точнее говоря, отличаются ли чем-нибудь «мезонные нейтрино», испускаемые распадающимися мезонами, от «электронных нейтрино» — уже знакомых читателю частиц, рождающихся в процессах бета-распада? Вот один из центральных вопросов сегодняшней физики. Решение этой проблемы требует огромных средств и гигантских ускорителей, разгоняющих заряженные частицы до энергии в десятки миллиардов электронвольт. В них можно получить интенсивные пучки мезонов, которые, распадаясь, создают потоки нейтрино мезонной природы. Эксперименты такого рода ведутся сейчас в различных лабораториях мира.

Физике нейтрино предстоит решить и другие задачи. Об одной из них я хочу коротко рассказать, поскольку она имеет первостепенную важность для понимания законов, которым подчиняется микромир. Имеет ли место рассеяние нейтрино электронами, то есть могут ли электроны отклонять нейтрино с той же вероятностью, с какой происходят все другие процессы, в которых участвуют нейтрино? Поставить соответствующий эксперимент, по-видимому, будет не просто. Здесь хочется только отметить, что этот сугубо абстрактный вопрос, интересный, казалось бы, только для физики элементарных частиц, имеет большое значение и в астрофизике. Действительно, недавно было показано, что гипотеза существования электрон-нейтринного взаимодействия приводит к мысли о новых мощных механизмах потери энергии звездами, основанных на испускании пар нейтрино — антинейтрино.