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

Самая большая сложность, с которой столкнулся Дэвис, заключалась в следующем: большинство нейтрино, образующихся в ходе протон-протонного цикла, обладали слишком малой энергией, поэтому не могли достаточно сильно ударить атом хлора и превратить его в аргон. Таким образом, обнаружить их в эксперименте Дэвиса было невозможно. Однако Дэвис не оставлял надежды, полагая, что не все нейтрино одинаковы и некоторые должны обладать достаточной энергией, чтобы детектор на них отреагировал. В частности, он знал, что время от времени третий этап протон-протонного цикла протекает «не по правилам»: вместо столкновения двух ядер гелия-3 (с образованием гелия-4) происходит столкновение гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется бериллий-7. В свою очередь, бериллий-7 может прореагировать с протоном и стать бором-8. Изотоп бор 8 нестабилен; он распадается в бериллий-8 и при этом испускает позитрон и нейтрино. Именно такой нейтрино должен обладать достаточной энергией, чтобы его можно было зафиксировать в эксперименте Дэвиса. К радости Дэвиса, в 1958 г. физики из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне установили, что такая альтернативная реакция происходит в тысячу раз чаще, чем предполагалось ранее. Двое астрофизиков – Вилли Фаулер из Калифорнийского технологического института и Аластер Кэмерон, в тот период работавший в канадской лаборатории на реке Чок-Ривер, – осознали всю важность этого открытия для отслеживания солнечных нейтрино и предупредили Дэвиса, что его шансы на успех возросли.

Воодушевившись добрыми новостями, Дэвис в конце 1959 г. вновь решил поохотиться на солнечные нейтрино. На этот раз он установил детектор в известняковой шахте Барбетон в штате Огайо. Глубина шахты составляла более 700 м, поэтому Дэвис рассчитывал, что ему удастся избавиться от надоедливых космических лучей, которые в иных условиях перекрывали сигналы нейтрино. Первые оценки Дэвиса относительно разрешающей способности этого эксперимента были скорее оптимистическими: Дэвис полагал, что сможет ежедневно регистрировать хотя бы несколько солнечных нейтрино. Но ему предстояло испытать еще одно разочарование: проверив детектор, он не нашел никаких следов неуловимых солнечных посланцев. Вскоре после этого Дэвису довелось узнать и о другом неприятном факте. По данным ученых из лаборатории ВМС, синтез бериллия-7 был достаточно простой реакцией. Однако другие исследователи обнаружили, что следующий этап реакции – превращение бериллия-7 в бор-8 (с поглощением протона) – случается гораздо реже. Таким образом, количество высокоэнергетических солнечных нейтрино должно быть очень низким, и эксперимент Дэвиса не позволяет их зарегистрировать. В 1960 г. Фред Рейнес резюмировал ситуацию так: «Даже при опыте с огромными детекторами, содержащими тысячи или сотни тысяч галлонов [23] Американский галлон – мера жидкости, равная 3,78 л. – Прим. пер. [тетрахлорида углерода], вероятность успеха столь невелика, что, пожалуй, экспериментаторам стоит оставить такие попытки». Большинству физиков ситуация казалась безнадежной. Некоторые ученые, не столь упорные, как Дэвис, просто решили смириться и заняться чем-нибудь другим. Однако Дэвис решил провести более масштабный эксперимент, увеличив свою установку в 100 раз. Новый резервуар был сравним по объему с олимпийским плавательным бассейном. Соответственно, такой детектор был гораздо чувствительнее предыдущих моделей.

Тут в нашей истории появляются два новых героя – ученые, познакомившиеся по счастливой случайности. Удивительно, как часто подобные стечения обстоятельств влияют на развитие науки – вспомнить хотя бы вынужденную посадку самолета, на котором летели Рейнес и Коуэн. В истории, которую мы сейчас обсудим, редактор журнала невольно стал посредником между двумя учеными, ранее не знавшими друг друга. Одним из этих исследователей был Вилли Фаулер, приятель Дэвиса. Фаулеру удалось доказать, что протекающие в звездах ядерные реакции порождают все легкие химические элементы – от углерода до железа, – тогда как начинаются эти реакции с водорода и гелия, элементов, образовавшихся еще при Большом взрыве. Вторым героем этой истории стал блестящий молодой теоретик по имени Джон Бакал. Бакал вырос в Луизиане, отлично играл в теннис, а в старших классах был чемпионом по дебатам. В юности он планировал изучать философию и стать раввином. Проучившись год в Луизианском государственном университете, он отправился на летние курсы в Калифорнийский университет города Беркли. Бакалу там понравилось, и он остался в Калифорнии писать работу по философии на соискание степени бакалавра благодаря одному родственнику, согласившемуся покрыть расходы на обучение.

Для получения этой степени Бакал был обязан пройти курс по естествознанию. Молодой человек добился, чтобы ему разрешили выбрать физику в качестве профилирующей дисциплины, хотя в старших классах вообще не занимался естественными науками. Именно тогда Бакал открыл в себе настоящую страсть к физике. Позже он вспоминал: «Это было самое сложное, чем мне приходилось заниматься в жизни, но я запал на естественные науки. Я был восхищен самим фактом, что, немного разбираясь в физике, ты начинаешь понимать, как именно устроен мир, как садится солнце и летают самолеты, причем на каждый вопрос есть правильный ответ, с которым все согласны». Затем Бакал получил степень магистра по физике в Чикагском университете и докторскую степень в Гарварде.

В 1960 г., будучи научным сотрудником в Университете Индианы, Бакал отправил в журнал Physical Review статью о процессах бета-распада, протекающих внутри звезд. Как же он удивился, получив письмо об этой статье от Вилли Фаулера, причем еще до публикации самой статьи! Фаулер попросил редактора журнала составить для него конспект этой статьи, а в письме Бакалу предложил молодому философу перебраться на работу в Калифорнийский технологический институт. Работа Бакала так впечатлила Фаулера, что он написал о молодом теоретике и Рэю Дэвису, посоветовав связаться с Бакалом. Действительно, Дэвис написал Бакалу, попросив того помочь ему уточнить активность образования солнечных нейтрино, рассчитав темпы соответствующих ядерных реакций. Бакал с радостью согласился помочь, так между ними завязалось тесное научное сотрудничество и близкая дружба, продлившаяся более 50 лет.

Поначалу Бакал недооценил масштаб задачи, которую поставил перед ним Дэвис. Спустя несколько десятилетий в интервью журналу Nova он признавался: «Когда я оказался в Калифорнийском технологическом и попытался рассчитать, сколько нейтрино должно прилетать от Солнца, я осознал, что эта проблема несравнимо сложнее, чем мне казалось на первый взгляд, поскольку на Солнце наперегонки друг с другом идет сразу множество ядерных реакций». Более того, Бакалу предстояло определить различные характеристики солнечных недр – химический состав, температуру, плотность, давление – с максимально возможной точностью. Только после этого он мог бы предоставить Дэвису достоверную оценку количества нейтрино, образующихся на Солнце. Результаты первых вычислений Бакала были удручающими: он подсчитал, что 3800-литровый резервуар Дэвиса позволяет зарегистрировать примерно один нейтрино за 100 дней. По оценке Бакала, даже если бы Дэвису удалось соорудить детектор в 100 раз объемнее, то он мог бы ловить примерно по одной частице в день, чего явно недостаточно для надежного измерения солнечных ядерных реакций.