Рэй Джаявардхана

«Охотники за нейтрино». Глава из книги

Глава 3. Погоня за призраком

Следующая глава саги о нейтрино была непосредственно связана с покорением энергии атома во время Второй мировой войны и в последующие годы. Еще в 1938 г. два немецких химика, Отто Ган и Фриц Штрассман, обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами образуется гораздо более легкий элемент — барий. Их бывшая коллега Лиза Мейтнер и ее племянник Отто Фриш к тому времени уже эмигрировали в Скандинавию, так как в Германии нацисты преследовали ученых еврейского происхождения. Мейтнер и Фриш пришли к верному выводу, что такое превращение происходит в результате расщепления тяжелого ядра урана. Этот процесс они назвали «делением» ядра, по аналогии с биологическим термином «деление клетки». В статье, опубликованной в журнале Nature, они писали: «Представляется вероятным, что ядро урана является очень нестабильным и после захвата нейтрона может разделиться на два ядра примерно равного размера». Еще до того, как статья появилась в печати, Нильс Бор уже сообщил об этом открытии американским коллегам. Энрико Ферми и другие решили сами поэкспериментировать с делением урана. На горизонте замаячил призрак атомной бомбы.

Вскоре ряд видных ученых стал предупреждать страны антигитлеровской коалиции о том, насколько опасной станет нацистская Германия, если обретет ядерное оружие. Исследования были продиктованы страхом: ведь та из сторон, которая смогла бы первой высвободить энергию атомного ядра, получила бы подавляющее преимущество над другой державой. По настоянию нескольких коллег Альберт Эйнштейн написал президенту Франклину Рузвельту знаменитое письмо, в котором указывал: «...стала вероятной возможность ядерной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть освобождена значительная энергия и получены большие количества радиоактивных элементов. Можно считать почти достоверным, что это будет достигнуто в ближайшем будущем. Это новое явление способно привести также к созданию бомб...» Он убеждал президента в необходимости наладить поставки урановой руды, указывая, что Германия уже предпринимает подобные шаги, а также активизировать контакты с физиками-ядерщиками, чтобы быть в курсе новейших исследований и их результатов.

В 1943 г. правительство США при поддержке Канады и Великобритании запустило сверхсекретную программу «Манхэттенский проект». К этому проекту были привлечены многие ведущие физики-теоретики и инженеры-экспериментаторы; цель исследований заключалась в получении управляемых цепных ядерных реакций и в конструировании атомных бомб. Однако Вольфганг Паули, который в тот период вместе с Эйнштейном работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, не был приглашен к участию в проекте, поскольку официально являлся гражданином Германии. В 1938 г. Германия аннексировала Австрию, а Паули не позаботился о том, чтобы приобрести гражданство Швейцарии. В штате Нью-Мексико была создана новая секретная лаборатория Лос-Аламос, где физики занимались проектированием, сборкой и испытаниями нового оружия. Другие исследовательские группы в разных уголках США наладили обогащение урана и производство плутония — топлива для атомных бомб. Сначала проект был довольно скромным, но к концу работ к нему подключилось более 100 000 человек. Ученые из Лос-Аламоса взорвали первый ядерный заряд, носивший кодовое название «The gadget»1, на 30—метровой вышке в пустыне на территории штата Нью-Мексико 16 июля 1945 г. Ученые, наблюдавшие за испытанием, лицезрели поднявшееся до небес пылающее облако, напоминавшее по форме гриб, ощутили рокот ударной волны, прокатившейся над командным центром. Они осознали, насколько разрушительное оружие создали, и некоторые даже раскаялись в том, что принимали участие в разработке атомной бомбы. Через считаные недели ВВС США сбросили две атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки. Атомные взрывы вызвали массовые жертвы и чудовищные разрушения, а также приблизили окончание войны2. В дальнейшем США и другие державы провели множество ядерных испытаний, сконструировав еще более мощные бомбы.

Бруно Понтекорво (AIP Emilio Segre Visual Archives, Physics Today Collection)
Бруно Понтекорво
(AIP Emilio Segre Visual Archives, Physics Today Collection)

Атомные бомбы оказались не только невероятно разрушительным оружием, но и потрясающим источником нейтрино. Атомные взрывы сопровождаются бурным делением ядер и образованием множества нестабильных изотопов, которые распадаются, испуская целые фонтаны этих частиц. При таком количестве нейтрино задача их экспериментального обнаружения упрощается; чем больше поток нейтрино — тем выше шансы, что какие—то из них попадут в детектор. Но когда ведущие физики по обе стороны Атлантики напряженно занимались военными разработками, мало кто из них вообще задумывался о проблеме нейтрино — в том числе Энрико Ферми, относившийся к наиболее активным участникам Манхэттенского проекта. Однако один из итальянских учеников Ферми, Бруно Понтекорво, не участвовал непосредственно в оборонных исследованиях. Именно он смог найти ответы на важнейшие вопросы, связанные с природой неуловимых нейтрино, догадался, как захватывать эти частицы, и сам ускользнул незаметно, как нейтрино.

Бруно Понтекорво родился в зажиточной еврейской семье близ Пизы, недалеко от той самой площади, где Галилей еще в XVI в. ставил свои легендарные опыты с падающими телами.

Семья Понтекорво владела текстильной фабрикой, на которой трудилось множество рабочих. Его родители могли позволить себе шикарный летний отдых, а также дали домашнее образование своим детям, приглашая лучших учителей. Будучи подростком, Понтекорво превосходно играл в теннис, а в школе блистал на естественно-научных предметах. Окончив среднюю школу, поступил на инженерный факультет Пизанского университета, но уже через два года перебрался в Римский университет. Там он собирался изучать физику под руководством Энрико Ферми, который уже снискал мировую славу одного из ведущих ученых.

В тот период Италия переживала непростые времена, в стране процветала фашистская идеология. Однако Понтекорво не интересовался политикой, несмотря даже на то, что некоторые его родственники были пацифистами и леваками. Правительство Муссолини всячески поддерживало научные исследования; фашисты усматривали в этом залог индустриального развития страны. Крупные компании привлекались к инвестициям в инновационные проекты, в Италии был создан национальный научно-исследовательский совет, государственное финансирование фундаментальных исследований значительно выросло. Ферми умел пользоваться таким патронажем и прилагал всяческие усилия, чтобы не допускать политику в свою лабораторию, но в то же время не раздражать государственных чиновников. Правда, впоследствии Ферми отмежевался от фашистского режима.

Понтекорво с отличием окончил университет и присоединился к исследовательской группе Ферми. Сначала он довольно неуклюже обращался с лабораторным оборудованием, но быстро освоил искусство научного эксперимента. В 1934 г. Понтекорво сыграл ключевую роль в одном из исследований: вместе с коллегами он открыл, что при бомбардировке атомов медленными нейтронами скорость химических реакций возрастает. Понтекорво был не только соавтором научной статьи о данном исследовании, но и совладельцем патента, описывавшего возможности коммерческого применения этого феномена. Через два года Понтекорво отправился в Париж, чтобы работать вместе с Ирен Жолио-Кюри (дочерью Пьера и Марии Кюри) и ее мужем Фредериком. Супруги Жолио-Кюри проводили эксперименты, изучая превращения атомного ядра.

В те годы в Париже бурно цвели левацкие движения, город был излюбленным убежищем для политических эмигрантов со всей Европы, спасавшихся от тоталитарных режимов. Поэтому неудивительно, что Понтекорво всерьез заинтересовался социалистическими идеями и завел немало знакомств среди активных участников левых политических движений — в частности, через своего брата Джилло, переехавшего в Париж вслед за Бруно. Джилло был убежденным марксистом и членом Итальянской коммунистической партии. Кстати, спустя тридцать лет Джилло снял культовый антиколониальный фильм «Битва за Алжир». Возможно, в ходе бесед с братом и друзьями Бруно Понтекорво задумывался о том, в чем заключается политический и гражданский долг ученого. Живя в Париже, Понтекорво повстречал Марианну Нордблом — студентку из Швеции, изучавшую французскую литературу. Молодые люди познакомились в общежитии, но вскоре решили съехаться и жить вместе. Через некоторое время у них родился сын.

В 1940 г. Бруно и Марианна поженились. Учитывая, что на родине Понтекорво бушевал антисемитизм, а нацисты вторглись во Францию, супруги были вынуждены бежать в США — как и Ферми, уехавший туда двумя годами ранее. Понтекорво устроился на работу в нефтяную компанию в штате Оклахома. Здесь он сумел применить свой опыт из области ядерной физики при разработке новых технологий для разведки нефти. Несмотря на переезд в США и близкое знакомство с Ферми, Понтекорво не был приглашен к участию в Манхэттенском проекте; вероятно, спецслужбы не доверяли Бруно из—за его социалистических убеждений. Но Понтекорво присоединился к британско-канадскому проекту, связанному с постройкой ядерного реактора на реке Чок-Ривер в канадской провинции Онтарио. Семья Понтекорво переехала в Канаду в 1943 г.

Именно в Канаде Понтекорво заинтересовался нейтрино. Разумеется, он был знаком с теорией своего учителя Ферми о бета-распаде. Согласно этой теории при бета-распаде атом испускает электрон и нейтрино, а один из его нейтронов превращается в протон. Однако, несмотря на царившее тогда убеждение о неуловимости нейтрино, Понтекорво был твердо уверен, что зафиксировать эту частицу все—таки можно, главное — правильно поставить эксперимент. Вероятность фиксации отдельного нейтрино в детекторе очень мала, но Понтекорво полагал, что если бы каждую секунду через детектор пролетали триллионы этих частиц, то хотя бы несколько из них удалось бы поймать. Для проведения такого эксперимента первым делом требовалось отыскать обильный источник нейтрино. Понтекорво знал, что даже очень большой образец радия не дал бы заметного потока нейтрино, образующихся при бета-распаде. Но ядерный реактор, рассуждал Понтекорво, действительно должен ежесекундно извергать триллионы таких частиц. Спустя почти сорок лет он вспоминал: «Как мне казалось [в 1946 г.], после создания мощных ядерных реакторов обнаружить свободные нейтрино станет вполне возможно». Учитывая, как хорошо Понтекорво разбирался в получении ядерной энергии, в этом замечании нет ничего удивительного. Но ученый пошел дальше: он описал, как поймать эти призрачные частицы.

Понтекорво знал, что, согласно теории Ферми, при попадании нейтрино в ядро атома должны произойти два явления. Во-первых, нейтрино подхватывает отрицательный заряд и превращается в электрон. Во-вторых, для сохранения электрического равновесия ядро приобретает положительный заряд. Иными словами, если по атому попадает нейтрино, то этот атом превращается в атом другого элемента, занимающего следующую клетку в таблице Менделеева, так как один из нейтронов в ядре этого атома превращается в протон. Понтекорво догадался, что если этот новый атом окажется радиоактивен, то о его наличии можно будет судить по радиации, которой сопровождается бета-распад. Так Понтекорво разработал практические требования для постановки такого эксперимента. Во-первых, предстояло найти вещество, которое будет обстреливаться нейтрино. Предполагалось, что это вещество будет дешевым и легкодоступным, так как для создания достаточно крупного нейтринного детектора его понадобилось бы довольно много. Во-вторых, веществу-мишени нужно было становиться радиоактивным при поглощении нейтрино. В-третьих, полученный таким образом радиоактивный продукт не должен был распадаться слишком быстро — то есть необходим запас времени на измерения. Учитывая все эти соображения, Понтекорво решил использовать большой резервуар с жидким безводным моющим средством (тетрахлоридом углерода), в котором содержится большое количество атомов хлора. Ученый знал, что, согласно теории Ферми, при столкновении нейтрино с атомом хлора последний должен превратиться в радиоактивный изотоп аргона — химически инертного благородного газа. Последующий распад атома аргона будет означать, что в породивший его атом хлора попал нейтрино. Так Понтекорво изобрел хитроумный способ, позволяющий изловить частицу-полтергейст.

Но Понтекорво было не суждено самому заняться охотой на нейтрино. Он подал документы на получение британского гражданства и в 1948 г. отправился в Англию вместе с женой и тремя сыновьями. Это был его четвертый переезд за 12 лет. Понтекорво успел около двух лет проработать в лаборатории по атомным исследованиям в городе Харвелл близ Оксфорда, после чего ему пришлось переключиться на решение неотложных проблем, не оставлявших никакого времени на разгадывание тайны неуловимых нейтрино. Поскольку Понтекорво не скрывал своих коммунистических убеждений, за ним все пристальнее следили и ФБР, и британская спецслужба МI5. Понтекорво вынуждали прекратить исследовательскую работу в Харвелле и перейти к академической деятельности, поскольку он мог получить доступ к информации о секретных военных разработках.

Понтекорво отлично понимал, что в мире нарастала международная напряженность, вызванная начинающейся холодной войной. В 1949 г. СССР осуществил успешное испытание атомной бомбы. Многие западные специалисты не представляли, что советское государство обладает такими технологиями; более того, это был открытый вызов ядерному доминированию США. В ответ президент Гарри Трумэн санкционировал разработку еще более мощных водородных бомб. В водородной бомбе используется принцип ядерного синтеза, в ходе которого изотопы водорода превращаются в атомы гелия. Правда, в качестве инициирующего заряда в водородной бомбе задействована реакция деления ядра. Неудивительно, что в Вашингтоне всерьез опасались нарастающего советского влияния, а также советских шпионов. В таких условиях сенатор Джозеф Маккарти возглавил печально известную «охоту на ведьм» — репрессии обрушились на всех, кого только было можно заподозрить в нелояльности.

В харвеллской лаборатории вместе с Понтекорво работал Клаус Фукс, один из бывших участников Манхэттенского проекта. Фукс признался в шпионаже в пользу СССР и был приговорен к длительному тюремному заключению. ФБР проверяло и других сотрудников лаборатории Лос-Аламос, в частности, физика Ричарда Фейнмана, который был известен не только блестящим интеллектом, но и склонностью к экстравагантным выходкам. Например, Фейнман просто ради спортивного интереса взламывал сейфы коллег. Фейнман был признан невиновным, однако агентам ФБР удалось раскрыть химика Гарри Голда, работавшего курьером Фукса. Голд, в свою очередь, вывел следователей на Этель и Юлиуса Розенбергов. Розенберги были арестованы по подозрению в шпионаже вместе с Дэвидом Гринглассом — младшим братом Этель, который ранее работал в Лос-Аламосе писарем-машинистом. Признательные показания шпионов и последовавшие аресты нагнетали всепроникающую атмосферу недоверия и паранойю.

Треволнения Бруно усугублялись и по причине нешуточных баталий между правительством США и бывшими итальянскими коллегами Понтекорво из—за патента, связанного с использованием медленных нейтронов (полученного учениками Ферми по результатам исследований, проводившихся еще в Риме). Итальянские ученые претендовали на долю прибыли от получения плутония, поскольку выработка этого металла осуществлялась при помощи замедления нейтронов графитом. В 1950 г. один из физиков-итальянцев подал иск, требуя денежной компенсации от американского правительства. Перспектива оказаться в центре публичного судебного процесса, а также подвергнуться неизбежным в таком случае проверкам благонадежности, вероятно, стала для Понтекорво последней каплей.

Когда новости о разгорающемся судебном процессе достигли Европы, Понтекорво как раз проводил летний отпуск в Италии вместе с женой и детьми. Когда отпуск закончился, он решил не возвращаться в Великобританию, где занимал должность профессора в Ливерпульском университете. Первого сентября семья отправилась из Рима в Стокгольм. Любопытно, что, хотя в Стокгольме и жили родители жены Понтекорво, беглецы не сообщили им о приезде, а уже на следующий день отправились самолетом в Хельсинки. На этом этапе записи об их пути обрываются. Не сохранилось никаких сведений о том, что Понтекорво делали в Хельсинки и пересекали ли они финскую границу.

Первой о внезапном и таинственном исчезновении физика и его семьи сообщила итальянская газета — вероятно, журналисты получили эту конфиденциальную информацию от британских сыщиков, уже рыскавших в Риме. С самого начала службы безопасности подозревали, что Понтекорво вместе с семьей бежал в Советский Союз. Действительно, среди родственников и друзей Понтекорво было немало людей с левыми взглядами, а некоторые из них откровенно симпатизировали коммунистам. Газеты смогли сделать максимальный акцент на царившей в те времена подозрительности, и практически за одну ночь скромный ученый, до этого практически не известный широкой публике, превратился в героя шпионского скандала. На передовице лондонской газеты Daily Express красовался заголовок «Атомщик улетел», а The Manchester Guardian возвещала «Пропал атомщик-эксперт». Даже Би-би-си предположила, что Понтекорво ускользнул за «железный занавес», сообщая: «Британская разведка МI5 пустилась в погоню за пропавшим ученым-атомщиком Бруно Понтекорво, о котором нет никаких вестей уже на протяжении полутора месяцев». СМИ по всему миру предполагали самые невероятные мотивы для такого бегства. Газета The Sydney Morning Herald даже цитировала одного из физиков, который лично знал Понтекорво и утверждал: «Он является одним из самых видных специалистов по ядерной физике и, несомненно, одним из лучших атомщиков в Великобритании. Несомненно, ученый такого уровня был бы просто находкой для русских». Как предполагали многие СМИ, Понтекорво с семьей покинули Финляндию на поезде либо отплыли на корабле с одной из советских военных баз, расположенных близ Хельсинки. Стоит ли говорить, что сумятица, связанная с исчезновением Понтекорво, лишь подлила масла в огонь холодной войны.

Многие опасались, что Понтекорво вообще с самого начала был советским шпионом. Другие предполагали, что ученый бежал, так как спецслужбы висели у него на хвосте, либо что он просто не выдержал антикоммунистической истерии, бушевавшей на Западе. Наконец, третьи думали, что советские агенты каким—то образом принудили Понтекорво переметнуться на сторону СССР. Как бы то ни было, исчезновение Понтекорво оказалось экстраординарным событием, причем как американские, так и британские разведывательные органы в своих официальных заявлениях старались преуменьшить значение этого бегства. Вероятно, спецслужбы были раздосадованы неприкрытой изменой знаменитого физика, особенно в свете недавних шпионских признаний Фукса. Власти не хотели подогревать всеобщую истерию. Историк науки Симон Турчетти пишет в своей книге «Дело Понтекорво» (The Pontecorvo Affair), что британский министр снабжения Джордж Стросс даже присягнул перед парламентом в том, что Понтекорво не участвовал в засекреченных военных разработках. Более того, Министерство иностранных дел пыталось урезонить британских дипломатов во всем мире, разослав им специальную конфиденциальную телеграмму, где, в частности, говорилось: «Доктор Понтекорво занимался в Харвелле работой несекретного характера, и, хотя он и может быть полезен русским в области каких—либо фундаментальных исследований, это не означает, что он обладает какими—либо ценными сведениями касательно атомного оружия».

Понтекорво подтвердил всеобщие подозрения, объявившись в Москве пять лет спустя. Он по—своему объяснил бегство: по его словам, он стремился укрепить научный потенциал СССР в условиях доминирования Запада и тем самым помочь предотвратить третью мировую войну. Понтекорво всячески подчеркивал, что его интересует применение атомной энергии исключительно в мирных целях. В СССР его приняли очень тепло и предложили работу в научно-исследовательском институте неподалеку от Москвы3, где велись исследования в области ядерной физики. Понтекорво получил Сталинскую премию и другие почести.

Спустя много лет Понтекорво признался, что советское посольство помогло ему вместе с семьей тайно выехать из Хельсинки. Он пересек границу СССР в багажнике дипломатической машины4, в салоне которой ехала его семья. Доподлинно не известно, принимал ли Понтекорво какое—то участие в создании советского ядерного оружия — как шпион (до побега в СССР) или как опытный ученый (после побега). Даже сегодня, спустя 60 лет, материалы ФБР и MI5 по этому делу остаются засекреченными. Симон Турчетти полагает, что Понтекорво не был шпионом, однако считает, что знания Бруно в области геофизической разведки могли помочь русским найти месторождения урана, требовавшиеся для производства атомных бомб. Какой бы работой Понтекорво ни занимался, живя по советскую сторону «железного занавеса», он всегда очень интересовался нейтрино и первым предположил, что эта частица-хамелеон может менять свойства, о чем мы вскоре поговорим.

Фредерик Рейнес (AIP Emilio Segre Visual Archives)
Фредерик Рейнес
(AIP Emilio Segre Visual Archives)

Тем временем в США многие физики, в годы войны участвовавшие в Манхэттенском проекте, вернулись в университеты. Среди тех, кто в начале 1950—х еще оставался в Лос-Аламосе, был и 33—летний физик-теоретик по имени Фред Рейнес. Юность Рейнеса протекала в штатах Нью-Джерси и Нью-Йорк, далеко от больших городов. В детстве Фред неплохо пел и состоял в скаутском движении. Позже он вспоминал, что впервые заинтересовался естествознанием, когда однажды под вечер, заскучав на уроке в религиозной школе, стал смотреть на закат через щель между пальцами, залюбовавшись дифракцией света. Кроме того, Рейнес с увлечением мастерил детекторные приемники — простейшие модели радиоприемников, популярные на заре радиотехники, собирая эти приборы с нуля. Однажды Фред написал в ежегодном школьном альманахе, что мечтает стать «выдающимся физиком». В годы учебы на инженерном факультете Стивенсовского технологического института Рейнес пел в хоре и даже солировал в больших вокальных пьесах, например, в «Мессии» Генделя. Сам ученый впоследствии вспоминал, что «между колледжем и университетом я даже какое—то время подумывал о профессиональной вокальной карьере». Еще до того, как Рейнес защитил докторскую диссертацию в Нью-Йоркском университете (в 1944 г.), молодой физик был приглашен на работу в Лос-Аламос. Там Рейнес уже после войны участвовал в испытаниях атомных бомб — в частности, в подготовке широко известных взрывов, осуществленных на атоллах Эниветок и Бикини. Рейнес, будучи физиком-теоретиком, занимался уточнением теоретической базы, описывающей эффекты ядерных взрывов. Среди прочего его интересовало, как ударная волна распространяется в воздухе. В свободное время Рейнес по—прежнему увлекался музыкой (пел в городском хоре), посещал местный драмкружок, а позже даже подвизался хористом в составе Кливлендского симфонического оркестра.

В 1951 г. Рейнес сообщил своему руководителю в Лос-Аламосе, что хотел бы оставить экспериментальные исследования и сосредоточиться на фундаментальной физике. Позже, размышляя об этом поворотном моменте в своей жизни, Рейнес писал, что, когда его вопрос был решен положительно, ему пришлось «переехать в практически пустой кабинет, просидеть там несколько месяцев, уставившись в пустую тетрадь, и напряженно подыскивать столь значительную научную проблему, изучению которой можно было бы посвятить жизнь». Перебирая в уме интересные проекты, Рейнес предположил, что при атомном взрыве должны образовываться целые тучи нейтрино. Соответственно, обнаружить эти таинственные частицы при атомном взрыве будет сравнительно просто.

Рейнес знал, что при делении атомов в ходе цепной реакции возникает множество нестабильных ядер, которые, в свою очередь, подвергаются бета-распаду и испускают нейтрино. В среднем при каждом акте деления ядра должны возникать шесть нейтрино — то есть при атомном взрыве их будет действительно очень много. Как писал сам Рейнес, «сделав кое—какие вычисления и поколдовав над формулами, я пришел к выводу, что бомба является идеальным источником... но я полагал, что эту гипотезу необходимо проверить экспериментально».

Как нельзя кстати летом 1951 г. в Лос-Аламос прибыл с визитом Энрико Ферми, и Рейнес, набравшись духу, решился с ним поговорить. Ферми согласился, что атомная бомба — это действительно потрясающий источник нейтрино. Но вся загвоздка в том, что сам Рейнес не представлял, как сконструировать подходящий детектор для регистрации нейтрино при ядерных испытаниях. Поразмыслив над этой проблемой, Ферми признал, что и сам не видит такой возможности. «От Учителя я возвращался опустошенным», — вспоминал Рейнес. Его мечты об охоте на нейтрино пришлось отложить до лучших времен, а сначала придумать, как двигаться дальше.

Как говорится, не было бы счастья, да несчастье помогло. Позже, в 1951 г. Рейнес летел на самолете в Принстон, когда самолет пошел на вынужденную посадку в аэропорту Канзас-Сити из—за нехватки топлива. Вместе с Рейнесом летел Клайд Коуэн, его коллега по Лос-Аламосу. В годы войны Коуэн занимался разработкой радаров, за что был награжден медалью «Бронзовая Звезда». Затем на пособие для ветеранов войны Коуэн поступил в аспирантуру и защитил докторскую диссертацию, а в 1949 г. поступил на работу в Лос-Аламос. Итак, поневоле оказавшись в Канзасском аэропорту, двое ученых, пытаясь как—то скоротать время, бродили по зданию и беседовали. В итоге они решили совместными силами взяться за решение какой—нибудь физической проблемы, которая им обоим казалась бы нетривиальной. Рейнес предложил заняться нейтрино, Коуэн согласился. «Он знал о нейтрино не больше меня, но зато был хорошим и в меру авантюрным экспериментатором. Итак, мы ударили по рукам и решили заняться нейтрино», — рассказывает Рейнес. Далее он добавляет: «Итак, почему же мы так хотели зарегистрировать свободный нейтрино? Потому что нас все убеждали, что это невозможно. Не самое здравое решение, но сам вызов казался притягательным». Оба ученых уже имели опыт участия в грандиозных военных проектах, который, пожалуй, мог подогревать их интерес к этой отчаянной затее. «Работа над испытанием атомной бомбы научила нас мыслить масштабно, в духе «мы сможем»... [Она] всецело занимала наши мысли. Всякий раз, планируя новый проект, мы ставили перед собой самую интересную и фундаментальную цель, не особенно задумываясь о ее достижимости или практическом применении. В Лос-Аламосе мы могли рассчитывать на доступ к новейшим исследовательским технологиям... и этот факт только придавал нам уверенности».

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»)5. 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 временну́ю 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...»

Первые признаки нейтринных сигналов удалось зафиксировать спустя несколько месяцев. Сигналы были не столь четкими, как надеялись Рейнес и Коуэн, однако их детектор регистрировал нейтрино, даже когда реактор не работал. Оказалось, что космические лучи могут давать характерные двойные вспышки, совершенно неотличимые от тех, которые ожидалось получать от взаимодействия нейтрино с материей. Однако ученые заметили, что частота таких вспышек явно возрастала при включенном реакторе, поэтому надеялись, что хотя бы некоторые из этих вспышек были вызваны нейтрино. В краткой заметке, опубликованной в журнале Physical Review, они осторожно характеризовали полученные результаты так: «Представляется вероятным, что цель [обнаружения нейтрино] достигнута, хотя необходимо провести дополнительную работу, которая бы подтвердила эту гипотезу». Позже Коуэн описывал эту ситуацию более образно: «Мы чувствовали, что вот-вот ухватим нейтрино за хвост, но к делу имеющиеся доказательства не пришьешь».

Несмотря на очень осторожный тон заметки, новости о результатах исследований просочились в СМИ. В газете The New York Times вышла статья «Команде атомщиков удалось наблюдать призрачную частицу». Журналы Scientific American и Time также опубликовали материалы на эту тему, а в пресс-релизе от организации Science Service даже делались громкие заявления, что вскоре придется переписывать учебники, так как «таинственный полтергейст современной физики наконец пойман». Когда эту новость узнал Вольфганг Паули, в те годы вновь обосновавшийся в Цюрихе, он в компании близких друзей не мешкая отправился на одну из окрестных гор, откуда открывался прекрасный вид на город, и там они устроили праздничный обед. Говорят, что позже в тот вечер ликующий Паули спускался с горы, слегка пошатываясь.

Но Рейнес и Коуэн, отличавшиеся научной въедливостью, не удовлетворились таким результатом, который был в лучшем случае предварительным. Они решили провести следующий, более выверенный эксперимент, поместив датчик рядом с новым реактором, установленным в районе Саванна-Ривер на территории штата Южная Каролина. Этот реактор был гораздо мощнее хэнфордского. Заручившись помощью нескольких коллег, они до основания переработали план эксперимента, чтобы отличать сигналы истинных нейтрино от ложных сигналов, вызванных частицами космических лучей. Кроме того, для эксперимента было подготовлено сразу несколько резервуаров со сцинтиллирующими жидкостями. Новая установка, сборка которой завершилась в конце 1955 г., весила около 10 т. Аппарат устанавливался в фундаменте здания прямо под ядерным реактором, был экранирован не только от космических лучей, но и от нейтронов, образующихся в реакторе. За несколько месяцев работы ученые записали сотни часов данных, для сравнения — при включенном и при выключенном реакторе. При включенном реакторе установка фиксировала впятеро больше пар вспышек, разделенных интервалом несколько микросекунд, чем при выключенном. К лету 1956 г., после многочисленных анализов и проверок, все члены команды уже были убеждены, что им действительно удалось обнаружить нейтрино.

Рейнес вспоминал: «Это было великолепное ощущение непосредственного участия в процессе познания. В июне 1956 г. мы решили, что пришло время сообщить о наших результатах человеку, который и начал все это, когда еще в молодости написал свое знаменитое письмо и впервые постулировал существование нейтрино». Разумеется, Рейнес говорил о Паули. Они с Коуэном послали Паули телеграмму, которая начиналась так: «Мы счастливы сообщить Вам, что определенно зарегистрировали нейтрино от фрагментов деления...» Паули получил телеграмму, как раз будучи на конференции в Женеве. Он прервал заседание и громко зачитал ее собравшимся.

На следующий день Паули ответил Рейнесу и Коуэну. В своем фирменном стиле он самодовольно отметил: «Если умеешь ждать — дождешься чего хочешь». Но телеграмма Паули в Америку не дошла. В архивах Паули сохранилась пометка секретаря о том, что ученый действительно послал такую телеграмму «ночной почтой» (отправление уходит в ночь, доставляется наутро, тарифы при этом снижены). Ответ Паули попал в точку: действительно Нобелевскому комитету потребовалось целых 40 лет, чтобы оценить открытие нейтрино. В 1995 г. Рейнес получил половину Нобелевской премии по физике. Коуэн умер за 21 год до этого, поэтому ему премия не досталась. Спустя годы после открытия Рейнес напомнил теоретику Хансу Бете, что тот еще в 1934 г. утверждал в статье, написанной совместно с Рудольфом Пайерлсом, что «наблюдать нейтрино практически невозможно». Бете шутливо ответил: «Ну разве можно верить всему, что пишут в этих статьях!»

Рейнес и Коуэн, выполнившие титаническую работу на реакторах в Хэнфорде и Саванна-Ривер, впервые смогли изловить призрачную частицу-чертенка. Они поймали нейтрино, которые могут беспрепятственно проскочить через земной шар и продолжить свой путь в глубины Вселенной. Причем они смогли это сделать при помощи очень хитроумной экспериментальной установки, воспользовавшись ядерным реактором в качестве источника нейтрино (точно как предлагал поступить Бруно Понтекорво), применив при этом совершенно иной метод, чем в проекте Понтекорво. Фантом, возникший из ничего в исстрадавшейся душе физика Паули, стал экспериментально зафиксированным феноменом материального мира, предоставив нам вполне удовлетворительное решение таинственной проблемы бета-распада, а также доказав незыблемость закона сохранения энергии. При этом подтвердились теоретические прогнозы Паули и Ферми.

С тех пор мы смогли понять, что неброские нейтрино помогают разгадать многие тайны космоса, ответить на вопросы «почему Солнце светит?» и «почему во Вселенной вообще есть материя?». Прозорливый Понтекорво первым предположил, что Солнце должно испускать огромные тучи нейтрино. Дальше нас ждет история об ученом-первопроходце, желавшем поймать внеземные нейтрино, прилетающие к нам из космических далей


1 Штучка— Прим. ред.

2 Целесообразность и этическая сторона атомных бомбардировок до сих пор вызывают острые споры. — Прим. ред.

3 В Дубне. — Прим. ред.

4 Старший сын Понтекорво Бруно Джиль, которому на момент переезда было 12 лет, отрицает эту версию. По его рассказам, вся семья разместилась в двух автомобилях. — Прим. ред.

5 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.


1
Показать комментарии (1)
Свернуть комментарии (1)

  • Realist_1963  | 12.03.2017 | 22:54 Ответить
    А почему бы не попробовать словить нейтрино таким методом?

    http://fb.ru/article/53607/tehnologiya-izbiratelnoy-detektsii-neytrino-s-vyibrannogo-napravleniya
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»