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

Позже Ферми переключился на эксперименты, связанные с искусственной радиоактивностью [15] Искусственная радиоактивность – самопроизвольный распад атомных ядер, полученных искусственным путем. – Прим. ред. , стремясь лучше понять феномен трансформации ядер. К тому времени Ирен Жолио-Кюри, дочь Марии Кюри, вместе со своим мужем Фредериком Жолио продемонстрировала, что при бомбардировке некоторых ядер альфа-частицами возникают новые радиоактивные изотопы, которые впоследствии распадаются. Хотя Ирен и Фредерик не представляли, как превратить свинец в золото (да и не ставили перед собой такой цели), можно сказать, что в какой-то степени эти ученые воплотили мечты древних алхимиков, желавших превращать обычные металлы в редкие и ценные.

В то время как супруги Жолио-Кюри использовали в качестве «снарядов» альфа-частицы, Ферми попробовал в этом качестве нейтроны. Он установил, что сравнительно медленные нейтроны особенно эффективны при синтезе радиоактивных продуктов. По легенде Ферми догадался использовать нейтроны, так как заметил, что в экспериментах достигается гораздо более высокая радиоактивность, если лабораторные препараты стоят на деревянной столешнице, а не на мраморной. Коллеги Ферми были озадачены подобной разницей, однако сам Энрико понял, что атомы дерева просто замедляют нейтроны. Другие ученые, основываясь на этой находке Ферми, пробовали бомбардировать уран медленными нейтронами. В 1938 г. немецким физикам удалось расщепить ядро урана примерно пополам, сделав первый шаг к высвобождению колоссальной энергии, заключенной в атомном ядре.

В том же году Ферми получил Нобелевскую премию по физике за свои исследования медленных нейтронов. Отправляясь в Стокгольм на церемонию вручения награды, Ферми смог вывезти из Италии жену-еврейку и двоих детей, поскольку там уже разгорался антисемитизм. Позже вся семья перебралась в США. Проработав несколько лет в Колумбийском университете в Нью-Йорке, Ферми перешел на работу в университет Чикаго. В 1942 г. именно там, в реакторе под университетским стадионом, произошло историческое событие: группа физиков под руководством Ферми впервые осуществила управляемую цепную реакцию, совершив важный шаг к приручению атомной энергии. Один из коллег Ферми позвонил в Вашингтон и сообщил об этом успехе Джеймсу Конанту, руководителю Национального комитета оборонных исследований. Он выразился завуалированно: «Вам будет наверняка интересно узнать, что наш итальянский штурман только что привел нас в новый мир». Конант ответил: «Как нас встретили аборигены?» Ответ был: «Очень тепло». Работа Ферми в Чикаго заложила основы для создания атомных бомб, ядерных реакторов и, наконец, для экспериментального открытия нейтрино.

Тем временем европейские физики не забыли великолепную статью Ферми о бета-распаде, пусть многие из них в тот период и работали над другими проблемами. На самом деле эта статья стимулировала как теоретиков, так и практиков размышлять о том, как отловить призрачные нейтрино. Два немецких физика – Ханс Бете и Рудольф Пайерлс – придумали интересный вариант достижения этой цели. Поскольку нейтрино выделяются при бета-распаде, нельзя ли поймать их в ходе обратного процесса – по аналогии с фотонами, которые способны как порождаться, так и поглощаться атомами? Бете и Пайерлс установили, что вероятность поглощения нейтрино атомом просто ничтожна. Теоретики составили краткую заметку в журнал Nature , где отмечали, что наблюдать нейтрино «практически невозможно».

Однако их безрадостные вычисления не смутили отважных охотников за нейтрино. В Кембриджском университете Джеймс Чедвик и Дэвид Ли попытались измерить проникающую способность нейтрино, устанавливая свинцовые пластины различной толщины между образцом радия и детектором. Исследователи полагали, что свинец должен замедлять нейтрино, в результате чего эти неуловимые частицы будет проще заметить. Правда, опыты показали, что нейтрино может пролететь по воздуху более 140 км, не задев ни одного атома. В следующем году британский физик Морис Намиас поставил еще более тонкий эксперимент, надеясь поймать нейтрино. Он установил свой прибор на станции Holborn в лондонском метро (примерно 30 м под землей), чтобы ослабить нежелательное фоновое излучение от высокоэнергетических частиц, прилетающих из космоса. Но ему также не удалось поймать нейтрино. Согласно измерениям Намиаса образующиеся при бета-распаде нейтрино вполне могут проскочить насквозь через весь земной шар. Более того, эксперимент Намиаса в метро стал лишь предвестником разработок ближайшего будущего. Сегодня нейтринные детекторы развертывают именно под землей, чтобы минимизировать помехи, вызываемые фоновым излучением, такая практика в физике частиц стала общепринятой.

Нейтрино все более напоминали какой-то полтергейст, казались таинственными фантомами, крадущими энергию при бета-распаде, но более никак себя не проявляющими. Поскольку нейтрино, в отличие от протона или электрона, не имеют электрического заряда, их нельзя отследить при помощи электромагнитных устройств. Они также не участвуют в сильном взаимодействии, а вероятность того, что нейтрино вступит в контакт с ядром атома (поучаствует в слабом взаимодействии), крайне мала.

В результате таких безрадостных теоретических оценок и провала различных экспериментов все громче звучали голоса скептиков, полагавших, что нейтрино вряд ли вообще будут когда-нибудь обнаружены. Среди этих скептиков был и нобелевский лауреат Поль Дирак, предсказавший существование антивещества (антиматерии) – об этом мы поговорим в главе 7. Поначалу Дирак очень заинтересовался нейтрино, а в 1934 г. даже разрекламировал теорию Ферми в письме одному из коллег. Среди прочего он отмечал: «Вероятно, лишь с помощью нейтрино можно объяснить наблюдаемые потери энергии, и до выяснения каких-либо новых обстоятельств отвергать эти частицы не следует». Всего через два года Дирак значительно изменил свое мнение, отказываясь обсуждать нейтрино и называя их «ненаблюдаемыми частицами».

К концу 1930-х и другие ученые разделяли сомнения Дирака относительно нейтринной гипотезы Паули. Британский астроном Артур Эддингтон – знаменитый популяризатор науки, а также автор эксперимента, подтвердившего на практике теорию относительности, – хорошо передал этот скепсис, когда в своей книге «Философия физической науки» (The Philosophy of Physical Science) писал следующее: «В настоящее время физики-ядерщики много пишут о гипотетических частицах, называемых “нейтрино”, стремясь таким образом объяснить некоторые неясные факты, наблюдаемые при бета-распаде… Я не слишком высокого мнения о теории нейтрино. Можно сказать, я просто не верю в существование этих частиц… Осмелюсь утверждать, что у физиков-экспериментаторов наверняка хватило бы изобретательности, чтобы получить эти нейтрино». Правда, он не исключал возможности существования нейтрино, добавляя: «Что бы я ни думал, не хочу устраивать никаких пари о мастерстве экспериментаторов, тем более что такое пари можно было бы трактовать как спор об истинности самой теории. Если кому-нибудь удастся получить нейтрино и, более того, найти для них практическое применение, то, полагаю, мне придется поверить в эти частицы – хотя читатель и может упрекнуть меня в лукавстве».