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

Но хорошие новости пришли с другого фронта. Обратив внимание на гипотезу датского физика, Бакал обнаружил, что хлор должен захватывать нейтрино в 20 раз эффективнее, чем предполагалось ранее. Планы Дэвиса получили новый сильнейший импульс. Теперь, имея реальную перспективу ловить несколько солнечных нейтрино ежедневно, Дэвис считал целесообразным и конструирование нового большого детектора. Он знал, что для защиты этого тонкого эксперимента от космических лучей установку следует расположить примерно в 1,5 км под землей.

Хотя финансирование для этого грандиозного проекта еще даже не просматривалось, в 1963 г. Дэвис стал искать подходящие глубокие шахты по всей территории США. В этом ему помогал Блэр Манхофен, коллега Дэвиса по Брукхейвенской лаборатории. Горное бюро США официально рекомендовало Дэвису рассмотреть два варианта: золотой рудник Хоумстейк в Южной Дакоте и медный рудник Анаконда в Монтане. Дэвис и Манхофен лично побывали на обеих шахтах. Владельцы рудника Анаконда очень хотели, чтобы ученые выбрали для эксперимента именно их шахту, поэтому предложили по низкой цене выполнить бетонную облицовку цилиндрической исследовательской скважины. Но Дэвис и Манхофен пришли к выводу, что сами горные породы в Анаконде не позволяют выкопать достаточно объемную полость на требуемой глубине. В Хоумстейк подготовка такой полости технически не составляла проблем, но такие работы должны были обойтись достаточно дорого. Поэтому коллеги-физики решили поискать другие варианты. Наконец, они отыскали серебряный рудник Саншайн в штате Айдахо, подходивший им и с технологической, и с бюджетной точки зрения. Итак, место было найдено, оставалось выбить деньги под эксперимент.

Это был уже очень серьезный этап. Дэвис и Бакал решили обратиться за официальным одобрением эксперимента и финансированием к директору Брукхейвенской лаборатории Морису Гольдхаберу. Гольдхабер был физиком-ядерщиком, он сомневался, что астрономы вообще способны что-то вычислить с настолько высокой точностью, чтобы это было ему интересно. Дэвис знал об этом предубеждении Гольдхабера, поэтому посоветовал Бакалу в разговоре с директором сделать акцент на ядерной физике, а не на астрофизике. Прием сработал – Гольдхабер санкционировал этот эксперимент и согласился оплатить его за счет лаборатории. Позже Бакал с воодушевлением описывал это достижение как «величайшую дипломатическую победу Рэя».

В начале 1964 г. Бакал и Дэвис сформулировали свою теорию и описали эксперимент в двух статьях. Они описали возможность использования резервуара объемом 380 000 л безводной моющей жидкости в качестве детектора солнечных нейтрино. Эти материалы привлекли самое пристальное внимание широкого научного сообщества. Понтекорво, живший в СССР, изучил эти статьи с большим интересом. Планы Бакала и Дэвиса по охоте за нейтрино освещались даже в СМИ, и такая публичность принесла неожиданную пользу: когда планы по постановке опыта на шахте Саншайн неожиданно сорвались (жаль, а ведь название было в самую точку [24] В переводе с английского название «Sunshine» означает «Солнечный свет». Дэвис и Бакал собирались исследовать нейтрино, прилетающие на Землю от Солнца. – Прим. пер. ), к ученым обратились владельцы шахты Хоумстейк, предложившие гораздо более привлекательную смету земляных работ. Производители промышленных резервуаров также гораздо сильнее заинтересовались в этом эксперименте. В послании к Бакалу, написанному в тот период, Дэвис отмечал: «Эти резервуарщики стали воспринимать нас гораздо серьезнее после выхода статьи в Time ».

Извлечение горных пород на шахте Хоумстейк началось весной 1965 г. и заняло около двух месяцев. Когда Дэвис и Блэр Манхофен спустились на 1,5-километровую глубину, чтобы лично осмотреть получившуюся гигантскую полость, они остались очень довольны. Дэвис обратился в Chicago Bridge and Iron Company, которая ранее занималась изготовлением герметичных космических отсеков для NASA, и заказал им резервуар для эксперимента. Компания справилась с работой за год. Резервуар как следует вычистили и крепко запечатали, чтобы не допустить попадания атмосферного аргона в жидкость и таким образом избежать загрязнения. Позже Дэвис и Бакал узнали, что компания «не заинтересовалась бы изготовлением такого небольшого, достаточно незамысловатого бака, какой требовался для нейтринного эксперимента, но ее привлекли цели эксперимента как таковые, а также необычное место для установки резервуара». Далее на шахту из Канзаса прибыл состав из 10 железнодорожных цистерн с безводным моющим средством. Ученые доставляли жидкость вниз к резервуару в специально изготовленных для этого контейнерах, воспользовавшись проложенной в шахте узкоколейкой и подъемником. На последнем этапе подготовки эксперимента потребовалось удалить из жидкости весь растворенный в ней воздух, чтобы избавиться от малейших следов аргона.

К осени 1966 г. все было готово к началу эксперимента. Итоговая цена проекта составила $600 000, как выразился Дэвис, «по стоимости – как 10 минут эфирного времени на коммерческом телеканале». Тем временем Бакал продолжал уточнять свои оценки, высчитывая, сколько примерно нейтрино Дэвис сможет обнаружить при помощи нового аппарата. По самым оптимистичным оценкам Бакала, нейтрино, взаимодействующие с атомами хлора в жидкости, должны порождать несколько десятков атомов аргона в месяц.

Дэвис был уверен, что практически все эти атомы удастся выудить. Он был не склонен делать громкие заявления, скромно сравнивая себя с «сантехником», имея в виду, что вся необходимая работа для решения важнейшей задачи захвата солнечных нейтрино сводится к прозаической постройке и эксплуатации большого бака и опутывающих его труб. Правда, требовалось с максимальной тщательностью избегать даже малейшей разгерметизации. Но Бакал описывал ситуацию так: «Сам не будучи химиком, я был просто поражен масштабами этого проекта и тем, насколько филигранно мы подходили к его реализации… Он сможет найти в этом баке несколько атомов [радиоактивного аргона] и извлечь их оттуда, и в таком случае мы будем уверены, что они возникли под действием солнечных нейтрино. Поневоле задумаешься, так ли сложно найти иголку в стоге сена».

Сборка резервуара, который был использован Рэем Дэвисом в эксперименте по регистрации солнечных нейтрино в золотом руднике Хоумстейк

(Brookhaven National Laboratory)

На самом деле, чтобы получить свой улов, Дэвису предстояло выполнить работу, состоявшую из сложнейших этапов. Сначала требовалось ждать несколько недель, пока от контакта с нейтрино несколько атомов хлора превратятся в аргон. Затем резервуар следовало под напором продуть гелием, который увлекал за собой аргон в охлажденный уловитель с абсорбентом из древесного угля. При очень низкой температуре аргон конденсировался в этом уловителе, отделяясь от гелия. Затем Дэвис подогревал уловитель, чтобы аргон выделился в газообразном виде, собирал его и химически очищал, чтобы избавиться от следов каких-либо других радиоактивных элементов. Конечный образец, сравнимый по размеру с кубиком рафинада, содержал обычный аргон, а также несколько атомов аргона-37, образовавшихся в результате попадания нейтрино в атомы хлора. При помощи счетчика Гейгера Дэвис определял количество атомов радиоактивного аргона, которое соответствовало количеству высокоэнергетических нейтрино, прилетевших с Солнца. Действительно, добыча всего нескольких особенных атомов из резервуара, в котором насчитывалось около миллиона триллионов триллионов (1030) атомов, была потрясающим достижением.