Книги
Жизнь и идеи Бруно Понтекорво
из которых мы регистрируем только электрон, а нейтрино, которое Паули называл нейтроном, не оставляет следов в наших обычных детекторах. Постоянной должна оставаться сумма энергий электрона и нейтрино, и энергия электрона может меняться в зависимости от того, сколько энергии унесет нейтрино.
Довольно быстро была оценена проникающая способность нейтрино. Она оказалась колоссальной. Длина поглощения нейтрино с энергией 1 МэВ в воде составляет 35 световых лет. Нейтрино легко проходят не только через Землю, но и спокойно выходят из внутренних областей звезд.
Рис. 14-2. Бета-распад нейтрона.
Вообразить препятствие толщиной в 35 световых лет довольно трудно. Так же как и представить себе частицу, способную пройти через весь земной шар без какого-либо взаимодействия. Известного американского писателя Джона Апдайка такие свойства нейтрино настолько задели, что он назвал стихотворение, посвященное им, «Космическая наглость».
Оно хорошо демонстрирует, насколько бедны наши эпитеты и наивны сравнения:
Как «фотоны, сквозь стекло»?! Какая чудовищная недооценка!
Но если частица свободно проходит через земной шар, то как ее можно зарегистрировать? Недаром Паули сокрушался: «Я сделал ужасную вещь: я изобрел частицу, которую невозможно будет зарегистрировать».
Однако он недооценил мощность разума и изобретательность своих коллег-экспериментаторов. Первое предложение реального эксперимента по регистрации нейтрино было сделано Бруно Понтекорво в 1946 г. [49]. Его не испугала колоссальная проникающая способность нейтрино. Исключительно красивая идея Бруно родилась из его опыта исследований радиоактивных веществ и работы на ядерном реакторе, который является источником огромного потока нейтрино (а точнее – антинейтрино).
В реакторе при делении урана-235 возникают ядра-осколки с избыточным числом нейтронов. Запускается цепочка реакций бета-распада (2), при которых избыточные нейтроны превращаются в протоны. В среднем при делении одного ядра урана испускается шесть нейтрино. В этом смысле каждый ядерный реактор – даровой источник нейтрино. Для детектирования нейтрино Бруно предложил поставить рядом с реактором контейнер с хлор-содержащей жидкостью. При взаимодействии с нейтрино хлор переходит в радиоактивный аргон-37.
ν + 37Cl →e− + 37Ar (3)
Аргон-37 радиоактивен, период полураспада T = 35,04 дня. Признаком аргона-37 являлось бы испускание электрона с энергией 2,82 кэВ. Аргон – инертный газ, выделяется из хлор-содержащей жидкости простым кипячением. Далее он пропускается через детектор, в качестве которого Бруно предполагал использовать пропорциональный счетчик. Обычный аргон-40 никаких сигналов в пропорциональном счетчике давать не будет, а если газ, выделенный из облученной жидкости, дает срабатывания от электронов с известной энергией – это доказывает образование аргона-37 и, следовательно, взаимодействие нейтрино с веществом детектора.
В качестве вещества детектора Бруно предложил использовать тетрахлорэтилен C2Cl4 – это вещество стандартно используют в химчистке. Бруно даже обсуждал с коллегами, как можно провести опыт: загнать цистерну с C2Cl4 в горный туннель, чтобы снизить фон от космических лучей. Сквозь толщу горы должны были проникать только нейтрино.
В реальности цистерны было бы маловато. Когда этот опыт был проделан Раймондом Дэвисом в середине 60-х годов, он использовал 615 тонн тетрахлорэтилена. В этой массе порядка 1030 атомов, а после облучения солнечными нейтрино в установке образовывалось 10 (!) атомов аргона-37 в месяц [50]. Сам факт того, что можно выделить 10 атомов радиоактивного аргона на фоне 1030 атомов обычного вещества, демонстрирует колоссальную чувствительность хлор-аргонового метода, предложенного Бруно. Привычная нам фраза для обозначения чего-то редкого – поиск иголки в стоге сена – просто ни о чем в сравнении с чувствительностью хлор-аргоновой установки.
Хотелось бы еще раз обратить внимание на красоту и оригинальность предложения Бруно. Он не просто нашел какую-то реакцию с суперогромным сечением взаимодействия нейтрино. Нет, был найден процесс с аномально низким уровнем фона и четкой экспериментальной сигнатурой.
В конце жизни Бруно давал интервью Мириам Мафаи, которая спросила его [6]: «Как вы думаете, каково ваше главное качество?» Бруно отвечал: «Как у физика, у меня есть немного фантазии».
Хлор-аргоновый метод – прекрасная иллюстрация проявления фантазии, оригинального мышления Бруно. В дальнейшем мы неоднократно будем сталкиваться с примерами его красивых решений различных физических проблем.
Надо подчеркнуть, что в исторической работе [49] Бруно не только предложил способ детектирования нейтрино, но и выдвинул еще одну важную идею – использовать Солнце как источник нейтрино. Это дало начало новой области физики – нейтринной астрономии, привело к опытам, в которых был обнаружен недостаток солнечных нейтрино и, в конечном счете, осцилляции нейтрино.
В сюжете о хлор-аргоновом методе есть несколько нюансов. Во-первых, в реакции бета-распада (2) вместе с электроном испускается антинейтрино. То, что нейтрино и антинейтрино – разные частицы, тогда никто не знал. Поэтому, если действительно разместить емкость с хлором рядом с реактором, ничего не произойдет – радиоактивный аргон-37 не образуется. Солнце же испускает именно нейтрино, поэтому детектор с хлором надо облучать солнечными нейтрино. Тем не менее работа Бруно [49] была засекречена до 1949 г., чтобы враги не смогли узнать о характеристиках ядерного реактора, измеряя поток его антинейтрино.
Однако идея мониторировать работу ядерного реактора, детектируя антинейтрино другими методами, вполне разумна и недавно была реализована.
Интересно, как отнеслись к предложению Бруно его коллеги. Вот что он пишет [52]: