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

Рейнес и Коуэн знали, что большинство нейтрино совершенно свободно пролетают сквозь вещество. Но если таких частиц будет очень много, то хотя бы некоторые из них должны сталкиваться с атомными ядрами. Учитывая это, ученые решили заняться исследованием конкретной ядерной реакции. По теории Ферми, когда протон поглощает нейтрино, он превращается в нейтрон и испускает антиэлектрон (также называемый «позитрон») [20] На самом деле этот процесс, называемый «обратный бета-распад», заключается во взаимодействии между протоном и антинейтрино, а на выходе действительно получается нейтрон и позитрон. На тот момент Рейнес и Коуэн еще не знали, что наряду с нейтрино могут существовать и антинейтрино. – Прим. авт. . Рейнес и Коуэн знали, что при обнаружении позитрона можно будет констатировать, что в реакции участвовал нейтрино. Итак, им требовалось найти способ регистрации позитронов. К счастью, незадолго до того были открыты органические жидкости, которые сцинтиллируют (дают крошечные вспышки), когда через них проходит заряженная частица. Итак, Рейнес и Коуэн решили заполнить большой резервуар сцинтиллирующей жидкостью и оснастить его несколькими фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), которые планировалось установить на внутренних стенках сосуда. ФЭУ должны были фиксировать позитронные вспышки. Такой детектор предполагалось подвесить у устья вертикальной скважины, пробуренной в земле, всего в 40 м от вышки, на которой планировалось взорвать 20-килотонный атомный заряд. Впоследствии в своей нобелевской лекции Рейнес скажет: «Идея о том, что столь чувствительный детектор можно будет использовать в непосредственной близости… от чудовищного рукотворного взрыва, казалась довольно странной, но мы умели работать с бомбами и не сомневались, что сможем сконструировать подходящую систему».

Проект предполагал, что детектор Рейнеса и Коуэна в течение нескольких секунд сможет свободно падать в вакууме, образующемся во время распространения ударной волны. Затем сосуд мягко приземлится (у основания он снабжался толстой подушкой из поролона и пуха), а датчики зарегистрируют позитроны, излучаемые продуктами ядерного взрыва, когда в небо будет подниматься огненный гриб. Позже Коуэн составил отчет, в котором изложил их план по сбору данных после экспериментального взрыва: «Мы вернемся к шахте через несколько дней (когда поверхностная радиоактивность существенно спадет), выкопаем резервуар, достанем детектор и узнаем всю правду о нейтрино». Конечно, сегодня такая схема может показаться странной, но конструкция действительно была многообещающей, и директор лаборатории Лос-Аламос дал добро на это испытание. По воспоминаниям Рейнеса, в те годы процесс утверждения таких испытаний был незамысловат. «Жизнь тогда была проще – никаких длительных процедур рассмотрения и заумных экспертных комитетов».

Когда Рейнес и Коуэн нашли место для испытания, поручили рабочим готовить скважину и приступили к сборке детектора, их коллега Ханс Бете поинтересовался, каким образом молодые люди собираются отличать подлинные нейтрино от прочего излучения, образующегося при атомном взрыве. В поисках ответа на этот вопрос Рейнес и Коуэн смогли придумать еще более замечательный эксперимент: они решили воспользоваться в качестве источника нейтрино не атомной бомбой, а управляемым ядерным реактором. Конечно, реактор выдает за секунду гораздо меньше нейтрино, чем атомный взрыв, но количество этих частиц все равно исчисляется триллионами на квадратный сантиметр. Физики сочли, что для обнаружения нейтрино этого более чем достаточно. Действительно, требовалось подыскать надежный способ, который позволял бы отличать возникновение нейтрино от посторонних «фоновых» событий – например, от воздействия космических лучей. Рейнес и Коуэн поняли, что смогут не только зафиксировать позитрон, но и измерить свойства нейтрона, образующегося при контакте нейтрино с материей. Они знали, что позитрон столкнется с электроном в сцинтиллирующей жидкости, что практически мгновенно приведет к аннигиляции обеих частиц и даст вспышку гамма-лучей, которые зафиксируют ФЭУ. Нейтрон, в свою очередь, проскочит через жидкости по ломаной траектории, наталкиваясь на другие частицы, как пьяница в толпе. При соударении со все новыми ядрами нейтрон будет постепенно терять энергию, пока наконец не будет поглощен другим ядром. Ядро, захватившее нейтрон, избавится от избыточной энергии в виде гамма-излучения. Рейнес и Коуэн знали, что такое блуждание нейтрона обычно продолжается в течение 5 микросекунд. Таким образом, можно было отслеживать временную разбежку между двумя выбросами гамма-излучения, первый из которых вызван аннигиляцией позитрона, а второй – поглощением нейтрона. Если бы в эксперименте удалось зафиксировать такую разницу, равную точно 5 микросекундам, то это был бы несомненный признак возникновения нейтрино. В таком случае все остальные вспышки, зафиксированные детектором, Рейнес и Коуэн списали бы на обычные фоновые помехи.

Разумеется, этот новый план был гораздо практичнее и безопаснее, чем опыт с атомным взрывом. По-видимому, американские физики просто не знали об идее Понтекорво, предлагавшего использовать ядерный реактор в качестве источника нейтрино, либо забыли об этом дельном предложении. Рейнес и Коуэн изложили свой новый план поимки «скользкой частицы» в письме, адресованном Ферми. В конце концов они могли не опасаться, что кто-нибудь поймает нейтрино раньше них, так как, по замечанию Рейнеса, «в 1952 г. охота на нейтрино мало кого интересовала». Ферми одобрил их усовершенствованную стратегию: «Очевидно, описанный вами новый метод должен быть гораздо проще в реализации, а также обладает еще одним важнейшим преимуществом: измерения можно проводить столько раз, сколько потребуется».

Воодушевившись поддержкой Ферми, Рейнес и Коуэн с новыми силами взялись за дело. В 1953 г. они изготовили цилиндрический бак, вмещавший 300 л сцинтиллирующей жидкости. На стенках резервуара было установлено 90 ФЭУ. Бак был в три слоя покрыт парафином, бурой и свинцом; эти вещества экранировали рассеянные нейтроны и гамма-лучи, исходившие от реактора. Эксперимент был назван «Проект Полтергейст», так как слово «полтергейст» весьма точно характеризовало вожделенную частицу. Детектор был установлен поблизости от ядерного реактора, расположенного в городе Хэнфорд, штат Вашингтон; реактор был построен еще в годы войны и использовался для производства плутония, которым заряжали атомные бомбы. Спустя много лет Рейнес вспоминал, какое возбуждение и какую огромную усталость испытывал на заключительном этапе охоты: «В эти дни, проведенные в Хэнфорде, мы усердно работали, но в то же время теряли последние силы. На протяжении нескольких месяцев мы устанавливали и переустанавливали целые тонны свинцовых и борно-парафиновых экранирующих слоев. Работали круглыми сутками, множество хлопот возникало с грязными сцинтилляционными трубками…»