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

Проведя на руднике Хоумстейк около двух лет за сбором данных, Дэвис обнародовал первые результаты своих исследований на конференции, состоявшейся в Калифорнийском технологическом институте в 1968 г. Он объявил, что в ходе эксперимента удалось зарегистрировать солнечные нейтрино, но всего треть от того количества, которое ориентировочно вывел при своих расчетах Бакал. Сам факт, что кому-то удалось обнаружить солнечные нейтрино (фактически – впервые заглянуть в сердце звезды), уже был примечательным достижением. Но все газеты наперебой сообщали не об этом, а об исключительном несоответствии между теорией и наблюдениями.

Бакал опасался, что результаты Дэвиса фактически могут опровергнуть его (Бакала) солнечную модель. На конференции в Калифорнийском технологическом молодой теоретик был так печален, что легендарный физик Ричард Фейнман (через три года получивший часть Нобелевской премии за работы в области квантовой электродинамики) предложил вместе выйти и немного проветриться. Пока двое ученых гуляли по кампусу, между ними завязался разговор. Бакал вспоминает, что Фейнман, наконец, попытался его подбодрить: «Понимаете, я ведь вижу, что эта лекция вас удручила; так вот, просто хотел сказать – поверьте, вы напрасно расстраиваетесь. Все мы слышали, что вам удалось сделать, никто не усмотрел никаких ошибок в ваших вычислениях. Не знаю, почему результаты Дэвиса с ними не согласуются, но в любом случае не падайте духом. Может быть, вы совершили что-то очень важное, мы просто еще не знаем этого наверняка». Дружелюбие Фейнмана и ободряющие слова глубоко тронули Бакала и помогли ему собраться с духом.

Такое несоответствие между теорией и практическими результатами заставляло задуматься не только о модели Бакала, но и о надежности эксперимента Дэвиса. Многие ученые сомневались, что Дэвису вообще удалось поймать солнечные нейтрино. Они указывали, что в резервуар вполне мог проникнуть атмосферный воздух и загрязнить жидкость детектора – не этим ли объясняется наличие «лишнего» аргона? Кроме того, действительно ли метод Дэвиса позволял извлечь считаные атомы аргона из такого огромного объема жидкости? Вилли Фаулер предложил Дэвису ответить на эту критику, продемонстрировав действенность описываемого метода: впрыснуть в жидкость 500 атомов радиоактивного аргона, как следует ее перемешать, а потом извлечь эти атомы обратно. Дэвис принял вызов и с легкостью выудил из резервуара весь радиоактивный аргон, до последнего атома.

Результаты проверки убедили некоторых скептиков, что экспериментальные приемы Дэвиса действительно работают. Вероятно, директор Брукхейвенской лаборатории Гольдхабер с самого начала был прав: астрофизики не вполне понимали, о чем идет речь. Другие скептики интересовались, не может ли этот результат объясняться чисто статистическими совпадениями. Ведь известно, что если несколько раз бросить монетку, то она с определенной вероятностью упадет орлом или решкой. Чтобы развеять подобные сомнения и повысить надежность эксперимента, Дэвис принялся дорабатывать детектор, чтобы аппарат лучше отличал истинные попадания нейтрино от фоновых помех. Бакал усовершенствовал свою солнечную модель, повторив вычисления с учетом новых данных о скорости протекания соответствующих ядерных реакций. К сожалению, ни все эти доработки, ни годы работы, потраченные на сбор новых данных, не устранили основной проблемы: слишком большой разницы между теоретическими прогнозами и наблюдениями.

Несмотря на добросовестную работу Дэвиса и Бакала, к началу 1970-х стало понятно, что до решения «проблемы солнечных нейтрино» еще очень далеко. Такая ситуация вынуждала многих ученых предлагать все новые решения этой задачи – от разумных до самых нелепых. Некоторые специалисты предлагали откорректировать стандартную солнечную модель – уточнить содержание тяжелых элементов в нашей звезде, скорость вращения солнечного ядра, учесть влияние магнитного поля. Австралийский математик Эндрю Прентис выступил с еще более радикальным, если не сказать ужасающим предложением: он выдвинул гипотезу, что Солнце уже выгорело и от него осталось лишь гелиевое ядро. Поскольку фотоны, образующиеся в солнечном ядре, достигают Земли спустя несколько десятков тысяч лет после своего возникновения, факт выгорания Солнца станет очевиден для нас лишь спустя некоторое время. Британский астрофизик Фред Хойл, известный своими внесистемными взглядами, предположил, что солнечное ядро состоит в основном из тяжелых элементов, которые окружены водородной оболочкой. Еще некоторые теоретики высказывали мнение, что в центре Солнца может находиться черная дыра, а энергия Солнца образуется совсем не в процессе ядерного синтеза, а под действием утекания материи в эту черную дыру, которая, в свою очередь, подпитывает Солнце. Наконец, некоторые ученые полагали, что все несоответствия связаны с тем, что мы просто ошибочно представляем себе свойства нейтрино. Сам Бакал размышлял, не являются ли нейтрино нестабильными и не распадаются ли они на другие частицы. Понтекорво и его советские коллеги отстаивали точку зрения, что нейтрино могут существовать в виде нескольких сортов, причем на пути от Солнца переходить из одного сорта в другой. Они считали, что детектор Дэвиса регистрирует нейтрино только одного типа – этим и может объясняться немногочисленность отловленных частиц.

К началу 1980-х эксперимент на руднике Хоумстейк уже исчерпал кредит доверия в умах большинства физиков. Результаты, полученные Дэвисом, больше не обсуждались. Было очевидно, что он проделал титаническую работу, чтобы понять и максимально усовершенствовать свой аппарат, но досадные расхождения никуда не исчезли. Бакал и Дэвис писали: «Нам казалось удивительным и, пожалуй, более чем удручающим, что с момента выхода наших [первых] статей на эту тему [вышедших в 1968 г.] мы не наблюдаем никаких существенных изменений в наблюдениях, а также не можем доработать стандартную теорию, несмотря на 12-летний труд и постоянную перепроверку деталей, которые мы всеми силами пытались уточнить». Тем не менее на тот момент только Дэвису удалось поймать этих призрачных солнечных посланцев, а кроме него почти никто не горел желанием углубляться в исследование проблемы, которая, казалось бы, зашла в тупик. Наиболее точно ситуацию резюмировал Бакал: «Все специалисты, систематически занимающиеся исследованием солнечных нейтрино, – как теоретики, так и практики – могли свободно разместиться на переднем сиденье машины Рэя – и часто так и делали». Несоответствие между теоретическими прогнозами и количеством наблюдаемых солнечных нейтрино сохранялось, позже эта проблема была охарактеризована в газете The New York Times как «одна из самых удручающих неудач науки XX в.».