Мистер «нейтрино». Глава из книги
По предложению автора и с согласия издательства книга целиком выложена в открытый доступ, вы можете скачать ее здесь.
Глава 10
Два нейтрино
Гипотезу о том, что нейтрино разного происхождения — реакторное и ускорительное — отличаются друг от друга, нередко относят к главным достижениям Бруно Понтекорво. На камне, лежащем на его могиле на римском кладбище, выгравировано неравенство νe ≠ νμ: электронное нейтрино (оно же реакторное) не равно мюонному (оно же ускорительное).
Гипотеза была подтверждена в 1962 году в экспериментах на брукхейвенском ускорителе (синхроциклотроне). При столкновении ускоренных в синхроциклотроне протонов с мишенями из бериллия рождались в том числе отрицательные π-мезоны, распадавшиеся затем на отрицательные мюоны и антинейтрино. Сформировав таким способом пучок ускорительных антинейтрино, группа американских физиков предоставила убедительные доказательства: такие антинейтрино отличаются от тех, которые рождаются вместе с электроном в бета-распаде. Соответственно, после 1962 года «реакторное» антинейтрино, которое в 1955 году зарегистрировали Райнес и Коуэн (и соответствующее ему нейтрино) стали называть «электронным»). Второе, «ускорительное», антинейтрино (и соответствующее ему нейтрино) — с которым, собственно говоря, и экспериментировали брукхейвенские физики — получило название мюонного. В 1988 году авторам Брукхейвенского эксперимента была присуждена Нобелевская премия по физике «за метод нейтринного пучка и доказательство дублетной структуры лептонов посредством открытия мюонного нейтрино».
Гипотезу двух нейтрино Бруно Понтекорво представил научному сообществу в статье «Электронное и мюонное нейтрино». Впервые она была издана в виде препринта ОИЯИ в 1959 году; в том же году ее публикует ЖЭТФ. В 1960 году соответствующий выпуск ЖЭТФ выходит в переводе на английский язык.
Текст препринта Понтекорво сдает в печать в конце июня 1959 года, по-видимому, рассчитывая издать его к началу большой международной конференции в Киеве. Конференция посвящена вопросам физики высоких энергий, в ней участвуют ведущие ученые из Европы и США. Бруно в краткой форме рассказал на конференции о своих идеях относительно экспериментальной проверки гипотезы двух нейтрино. При этом его выступление не было включено в программу конференции; оно состоялось в рамках общей дискуссии. Причиной тому, по-видимому, было изначально негативное отношение большинства коллег к самому факту обсуждения экспериментов с ускорительными нейтрино: вероятность взаимодействия таких нейтрино с веществом считалась исчезающе малой. Свидетельствует Рекало: «Долгое время экспериментирование с такими нейтрино представлялось делом очень далекого будущего».
Эту точку зрения разделяли, однако, не все физики Так, Марков вспоминает, что еще в 1957 году осуществимость подобных экспериментов анализировал его дипломник Дого Генчев Факиров. Выводы Факирова были оптимистичны: «...в настоящее время становится целесообразным обсуждение реального физического эксперимента с нейтрино большой энергии на ускорителях». Марков вспоминает, что он вместе со своими коллегами сделал заявку на соответствующий доклад на киевскую конференцию. Но... «в самый последний момент мы сняли этот доклад... Особенно мои более молодые сотрудники испугались возможных криков беотийцев». Неудивительно, что в этой ситуации Марков отдает должное решимости Понтекорво: «Лишь на Киевской конференции по высоким энергиям (в 1959 г.) Б. Понтекорво осмелился (курсив мой — Б.Б.) с большой физической трибуны завить о принципиальной возможности нейтринных экспериментов на ускорителях». Впрочем, Фрэнк Клоуз, ссылаясь на воспоминания участников конференции, указывает, что выступление Бруно фактически осталось незамеченным.
Обратимся к тексту статьи Понтекорво, ставшей основой для этого выступления. Во введении Бруно определяет свои цели: «...подчеркнуть возможность решения физических задач при помощи исследований до сих пор не обсуждавшихся эффектов (курсив мой — Б.Б.), вызванных свободными нейтрино». Предваряя обсуждение этих эффектов, он пишет: «Соответствующие опыты могут оказаться невыполнимыми сегодня. Но обсуждение их постановки, как нам кажется, не является более преждевременным, чем обсуждение в свое время опытов с антинейтрино из реактора». Мы видим, что Бруно напоминает скептически настроенным коллегам о совсем недавней «истории успеха» Райнеса и Коуэна.
В 1959 году, предлагая поставить эксперименты с ускорительными нейтрино, Понтекорво откликался на две близкие по смыслу новости: информацию о решении построить в СССР так называемые мезонные фабрики и сообщения о скором вводе в строй нового ускорителя — синхроциклотрона в Брухейвене.
Нейтрино «из ускорителя» характеризовались большими энергиями. Было известно, что с ростом энергии нейтрино вероятность их взаимодействия с атомами вещества сильно возрастает. В то же время ускорительные нейтрино заметно проигрывали реакторным в интенсивности пучка. Было достаточно сложно оценить, какой из двух факторов — рост вероятности взаимодействия нейтрино с веществом из-за роста энергии или же уменьшение этой вероятности (из-за снижения интенсивности либо по другим причинам) — будет в итоге превалировать.
Предваряя описание возможного способа проверить гипотезу, Бруно напоминает о том, как именно Дэвис, используя хлор-аргонный метод, доказал отличие нейтрино от антинейтрино: «...нетождественность частиц и античастиц была доказана на опыте... Отсутствием процесса, в котором в результате взаимодействия антинейтрино с атомами хлора образуются атомы аргона и электрон, доказывается, что нейтрино и антинейтрино нетождественны, поскольку такой же процесс, но с участием нейтрино, имеет место».
Такой же подход Бруно предлагает использовать в экспериментах: «Предполагается выяснить экспериментально, способен ли пучок мюонных антинейтрино вызвать переходы, которые, без сомнения, могут быть индуцированы электронными антинейтрино». Если результаты эксперимента будут отрицательными («не способен»), это и будет означать, что электронные антинейтрино отличаются от мюонных.
«Пучок мюонных антинейтрино» — это новый инструмент в исследованиях слабого взаимодействия, и Понтекорво обсуждает в статье его потенциальные возможности, его достоинства и недостатки. Ускорители нового поколения разгоняют протоны до больших энергий; соответственно, большие энергии будут характерны и для мюонных антинейтрино. Как мы уже отмечали, с ростом энергии нейтрино (антинейтрино) существенно вырастает вероятность их взаимодействия с атомами вещества и это обстоятельство относится к несомненным преимуществам нового инструмента. В то же время с ростом энергии протонов рождающиеся π-мезоны будут реже распадаться. Так считает Понтекорво: «...при очень больших энергиях интенсивность генерации мюонных нейтрино уменьшается из-за релятивистского удлинения времени жизни π-мезона, и поэтому здесь обсуждается постановка опыта с нейтрино с энергией < 100 МэВ» (курсив мой — Б.Б.).
Вслед за этим Понтекорво анализирует две реакции с участием мюонного антинейтрино:
\[\begin{align} \tilde{\nu}_\mu+\mathrm{p}\to \mu^++\mathrm{n}\qquad\qquad (1)\\ \tilde{\nu}_\mu+\mathrm{p}\to e^++\mathrm{n}\qquad\qquad (2) \end{align}\]
Он замечает, что при энергиях антинейтрино меньших 100 МэВ первая реакция «по существу не наблюдаема». Это означает, что она выпадает из дальнейшего рассмотрения...
Что касается второй реакции, то в случае различия электронного и мюонного нейтрино она вообще не должна наблюдаться. Именно отсутствие второй реакции Бруно и предлагает проверить в будущем эксперименте. При этом «для обнаружения реакции сцинтилляционный счетчик, аналогичный использованным Райнесом и Коуэном, может быть помещен в пучок мюонных антинейтрино, неспособных вызвать реакцию (1) по энергетическим соображениям». На быструю реализацию предлагаемого им проекта Бруно не надеется, рассчитывая, впрочем, на «недалекое будущее». Он объясняет свой сдержанный оптимизм: «...в настоящее время обсуждаются модели новых ускорителей, способных в принципе дать интенсивность ускоренных протонов на три порядка выше». Реплика о новых ускорителях, модели которых только «обсуждаются», означает, что Понтекорво не связывает реализацию своих идей с запуском брукхейвенского ускорителя.
События, однако, развиваются по оптимистическому сценарию: уже в 1962 году в Брукхейвене гипотеза двух нейтрино была проверена в эксперименте и подтверждена. Столь незначительный промежуток времени от замысла (Понтекорво) до его реализации (команда ускорителя в Брукхейвене) был для истории нейтринной физики явно необычен. И все же было бы неправильно назвать Понтекорво пессимистом. Вспомним, что именно он «осмелился» публично заявить о принципиальной возможности экспериментов с ускорительными нейтрино. И был первым, предложившим реалистичную программу опытов с такими нейтрино.
История и предыстория концепции двух нейтрино: версии Маркова, Штейнбергера, Клоуза и Понтекорво
Понтекорво был не единственным физиком, обсуждавшим возможность экспериментов с нейтрино «мюонного» происхождения. В июле 1960 года Мелвин Шварц, в недалеком будущем один из авторов Брукхейвенского эксперимента, публикует статью о перспективах использования ускорительных (мюонных) нейтрино как инструмента в изучении слабого взаимодействия.
Свидетельствует Марков: «В 1960 году появилась заметка М. Шварца, в которой экспериментатор, казалось бы, почти с непосредственной наивностью теоретика всерьез приводит фантастические параметры фантастической установки нейтринного эксперимента на ускорителе высокой энергии. Можно было наблюдать, как многие физики, читая заметку, пожимали плечами» (Цит. по М. А. Марков «Нейтрино», с. 46). В статье «Бруно Понтекорво» Марков называет одного из таких физиков: «Помнится, на одном заседании, посвященном ядерной физике, ко мне подошел академик А. Алиханов. Он был чем-то явно возмущен ...Алиханов извергал громы и молнии именно по поводу статьи Шварца, утверждая, что «неприлично публиковать такие статьи». Я, естественно, умолчал о том, что еще почти два года назад (1958) я предложил Факирову эту же тему и им была защищена дипломная работа...».
В статье Шварца гипотеза двух нейтрино не обсуждалась, при том что Шварц упомянул в ней только что вышедшую по-английски статью Понтекорво «Электронные и мюонные нейтрино». В июле 1960 года брукхейвенский синхротрон начал работать. Как свидетельствует Константин Никифорович Мухин, тогда и началась подготовка эксперимента по проверке гипотезы двух нейтрино. В 1962 году эксперимент, ставший известным как «Брукхейвенский», был успешно завершен; были получены неопровержимые доказательства существования двух разных нейтрино — электронного и мюонного. В 1988 году трое ключевых участников эксперимента — Мелвин Шварц, Джек Штейнбергер и Леон Ледерман — были удостоены Нобелевской премии по физике.
В эксперименте в распадах π-мезонов рождались мюонные антинейтрино, переправлявшиеся далее на ядерную мишень. В том случае, если они действительно отличаются от электронных антинейтрино, то в процессе их взаимодействий с нуклонами должны рождаться мюоны (и не должны электроны). Имея в виду статью Понтекорво, мы можем сказать, что должна протекать реакция (1) и не должна протекать реакция (2). Всего в Брукхейвенском эксперименте было зарегистрировано 29 мюонов и ни одного электрона. Иными словами, 29 раз была зарегистрирована реакция (1) и ни разу реакция (2).
Мы видим, что схема Брукхейвенского эксперимента отличается от схемы, описанной Бруно: ограничения по энергии, которые, как предполагал Понтекорво, делали невозможной реакцию (1), на самом деле отсутствовали. В итоге ресурсов брукхейвенского ускорителя хватило для «полноценной» проверки гипотезы двух нейтрино — полноценной в том смысле, что гипотеза двух нейтрино подтверждалась рождением частиц (а не их отсутствием, как это было в опыте Дэвиса и как предлагал Понтекорво).
Используемые в эксперименте пучки мюонных антинейтрино характеризовались энергией порядка миллиарда электронвольт — что по крайней мере в 10 раз превышает максимально допускавшиеся Понтекорво 100 МэВ. При таких больших значениях энергии возросшее число взаимодействий с атомами вещества с запасом компенсирует уменьшение интенсивности в пучке из-за релятивистского эффекта.
В воспоминаниях коллег Понтекорво можно встретить утверждение (в духе виртуальной истории науки) о том, что, останься Понтекорво на Западе (или имей он возможность свободного выезда из СССР), он бы наверняка получил приглашение участвовать в Брукхейвенском эксперименте. И, соответственно, стал бы в будущем лауреатом Нобелевской премии.
В связи с этим стоит вспомнить, что Нобелевская премия была присуждена Ледерману, Штейнбергеру и Шварцу не только за экспериментальное подтверждение гипотезы двух нейтрино, но и за метод нейтринного пучка. И что статья Бруно имела отношение только к одному из этих достижений. В отношении же пучков нейтрино высоких энергий интуиция подвела Бруно.
Фрэнк Клоуз: «...неясно, пригласили ли бы самого Бруно для участия в Брукхейвенском эксперименте, даже если бы ему разрешили покидать СССР. Его статья свидетельствует, что в отношении практической осуществимости своего метода он был настроен скорее пессимистически. Он отмечал, что вероятность взаимодействия нейтрино с веществом растет с ростом его энергии, но его беспокоило, что при очень высоких энергиях количество рождающихся нейтрино должно уменьшиться...»
В то же время, оценивая ситуацию в целом, Клоуз отмечает: «Идея, согласно которой нейтрино характеризуются разными «ароматами», соответствующими «ароматам» их электрически заряженных сиблингов (электронов и мюонов), является одним из основных положений современной теории фундаментальных частиц, и сегодня Бруно Понтекорво признан одним из ее создателей».
О том, что схема эксперимента, предложенная Понтекорво в статье «Электронные и мюонные нейтрино», существенно отличалась от реального эксперимента, выполненного в Брукхейвенской лаборатории, в явной форме пишет только Клоуз. Остальные авторы явно предпочитают этот факт не замечать. Нам встретилось и прямо противоположное утверждение: что Брукхейвенский эксперимент был осуществлен по плану Понтекорво. В 1963 году в статье в журнале «Природа», посвященной присуждению Бруно Ленинской премии, Л. И. Лапидус пишет: «В результате поставленного по идее Б. Понтекорво опыта (курсив мой. — Б.Б.) выяснилось, что ускорительные нейтрино не похожи на нейтрино реакторные. При облучении протонов мезонными (т. е. ускорительными. — Б.Б.) нейтрино вылетали не электроны, а заряженные μ-мезоны». Отметим, что ради упрощения автор пишет о нейтрино, а не об антинейтрино. Автор статьи, доктор физико-математических наук и коллега Бруно по ОИЯИ, не мог не знать истинного положения вещей, однако статья про достижения лауреата Ленинской премии, публикуемая в массовом журнале АН СССР, имела также и идеологическое измерение... В связи с этим заметим, что в аналогичной («лауреатской») статье Николая Николаевича Боголюбова, опубликованной в специализированном журнале «Атомная энергия», мы ничего подобного не находим. Отметим корректность в изложении данного сюжета в посвященных Понтекорво юбилейных статьях в УФН.
Коллега и соавтор Бруно С. М. Биленький в 2014 году также корректен в своих высказываниях. Он констатирует временную последовательность (сначала — статья «Электронные и мюонные нейтрино» и потом — Брукхейвенский эксперимент), используя при этом стилистически приемлемую формулировку: «Предложение Б. Понтекорво было реализовано в 1962 году в знаменитом Брукхейвенском эксперименте, который доказал, что νe не равно νμ».
При всем том один из авторов Брукхейвенского эксперимента Джек Штейнбергер отзывается о Понтекорво исключительно в превосходных выражениях. Он отмечает, что Бруно выдвинул оригинальные предположения, имевшие «наивысшее значение для развития физики элементарных частиц», и одно из них — «использование нейтрино от мюонного распада для проверки идентичности электронного и мюонного нейтрино».
А вот его же реплика о личном вкладе Понтекорво в решение проблемы двух нейтрино: «Лично я признателен Понтекорво за сделанное им в 1959 году предложение экспериментально проверить, являются ли нейтрино, связанные с мюонами в распаде пиона и каона, теми же самыми, которые возникают в бета-распаде...». При этом Штейнбергер особо подчеркивает, что Мелвин Шварц, предложивший в 1960 году использовать пучки нейтрино для изучения свойств слабого взаимодействия (см. выше), вопрос о возможной нетождественности электронного и мюонного нейтрино не обсуждает.
Штейнбергер считает исключительно важным тот факт, что именно Бруно Понтекорво оказался первым, кто начал обсуждать детали будущего эксперимента по проверке гипотезы двух нейтрино с использованием ускорительных нейтрино. На фоне этого ошибки Понтекорво Штейнбергер, судя по всему, считает несущественными. Подчеркивая достижения Понтекорво, Штейнбергер, возможно, демонстрировал свое неприятие позиции многих его коллег, игнорировавших эти достижения из-за негативного отношения к переезду Понтекорво в СССР.
У нас нет оснований утверждать, что Штейнбергер к поступку Бруно отнесся положительно. Известно, впрочем, о его активном неприятии антикоммунистической истерии в США в период холодной войны. Так, во время работы в Калифорнийском университете в Беркли он отказался подписать манифест антикоммунистической направленности. В ответ на это ему было предложено уволиться.
Интересно, что в 1963 году в статье для ежегодника «Наука и человечество» Понтекорво, только что отметивший 50-летие и удостоенный Ленинской премии, великодушно отдает авторство гипотезы о нетождественности двух нейтрино М. А. Маркову. А вот как спустя год описывает историю концепции двух нейтрино сам Марков: «Что касается, условно говоря, древней истории вопроса, то здесь ситуация любопытна тем, что во время открытия трехчастичного распада мезона с самого начала писалось именно два вида нейтрин (здесь Марков упоминает работу Хинкса и Понтекорво, в которой такой распад описывается как распад отрицательного мюона на electron, neutretto and neutrino. — Б.Б.) и лишь потом в угоду сомнительному принципу простоты (который обычно оказывается «справедливым постфактум, только в тех случаях, когда реализуется так называемая «простая» (по определению) ситуация, научное общественное мнение молчаливо приняло концепцию одного нейтрино без каких-либо на то физических оснований. Но этот, может быть, естественный предрассудок настолько укоренился, что идея двух нейтрин уже казалась маловероятной». Из этого высказывания можно сделать вывод, что Марков связывает авторство концепции двух нейтрино с именами Понтекорво и Хинкса. Интересно, что, как и Л. Б. Окунь в связи с вопросом о «красоте» безмассового нейтрино, Марков ссылается на позицию, занятую «общественным мнением».
Спустя два десятилетия Бруно описывает ситуацию уже не столь благодушно. В 1983 году он публикует в УФН большую статью, в основу которой положены доклады, представленные им на конференцию в Париже. Вспоминая, как и Марков, детали «древней истории» (период 1947–1950 годов), он пишет: «Несколько групп, среди них Дж. Штейнбергер, Э. Хинкс и я, проводили исследования распада мюона в космических лучах. В результате был обнаружено, что распадающийся мюон испускает три частицы: один электрон... и две нейтральные частицы, которые разные люди называли по-разному: два нейтрино, нейтрино и нейтретто, и т. п. Я снова говорю об этом, подчеркивая, что для людей, работавших с мюонами в прежние времена, вопрос о разных типах нейтрино существовал всегда. Правда, позже многие теоретики забыли об этом и некоторые из них вновь изобрели два нейтрино...».
Интересно, что в оригинальном тексте доклада на английском языке (положенного, напомним, в основу статьи), после упоминания о «многих теоретиках», некоторые из которых изобрели снова два нейтрино, Понтекорво ставит скобки и пишет: «например, М. А. Марков». Соответствующий фрагмент доклада цитирует в своих воспоминаниях Фидекаро. В русском тексте статьи упоминания о Маркове нет. Удивительно, но Бруно, видимо, забыл, что в 1963 году сам отдал Маркову пальму первенства!
А вот как описывает события, предшествовавшие гипотезе о двух разных нейтрино, Фрэнк Клоуз. Предлагая вернуться в 1946 год, он напоминает о недоумении физиков в связи с открытием новой элементарной частицы — мюона: непонятно было, какую функцию выполняет новая элементарная частица. Зачем нужен мюон? Напомним, что мюон рождался при распаде заряженного пи-мезона (на мюон и антинейтрино). Мюон в 200 с лишним раз тяжелее электрона, и, как считает Клоуз, первое время Понтекорво воспринимал его просто как массивный электрон. В этом случае естественно ожидать от него распада на электрон и (уносящий избыточную энергию мюона) фотон гамма-излучения. Однако в эксперименте такую реакцию распада обнаружить не удавалось. Этот факт можно было интерпретировать как указание на какое-то принципиальное отличие мюона от электрона. Клоуз отмечает важность экспериментов, показавших, что в подавляющем большинстве случаев мюон распадается иначе — на электрон и две нейтральных частицы (которые и уносят избыточную энергию). Клоуз упоминает Штейнбергера, предположившего, что этими частицами являются нейтрино и антинейтрино. Вопрос о том, что мешает мюону распадаться на электрон и фотон, оставался без ответа. Стоит еще раз напомнить, что речь идет о доускорительной эпохе: все эти факты были установлены в ходе изучения космических лучей. Согласно Клоузу, фактическое отсутствие реакции распада мюона на электрон и гамма-квант Понтекорво расценивает как указание на существование какого-то запрета на эту реакцию. И если мюон нельзя рассматривать как массивный электрон, то и нейтрино, сопровождающее электрон в бета-распаде должно отличаться от нейтрино, сопровождающего мюон в распаде π-мезона.
Литература:
1. П.С. Исаев. Обыкновенные. Странные. Очарованные. Прекрасные. М: Энергоатомиздат, 1995.
2. А.И. Ахиезер, М.П. Рекало. Элементарные частицы. М: Наука, 1986.
3. Luisa Bonolis. Bruno Pontecorvo: From slow neutrons to oscillating neutrinos. American Journal of Physics, 2005, 73 (6), June, p. 487–499.
4. Б.М. Понтекорво. Электронные и мюонные нейтрино. ЖЭТФ, 1959, т. 37, вып. 6, с. 1751–1757.
5. Frank Close. Half-Life: The Divided Life of Bruno Pontecorvo, Physicist or Spy. N.Y.: Basic Books, 2015.
6. М.П. Рекало. Нейтрино. Киев, Наукова думка, 1986.
7. М.А. Марков. Бруно Понтекорво: М.А. Марков. Избранные труды в двух томах. М: Наука, 2001, т. 2, с. 447–451.
8. К.Н. Мухин. История открытия трех пар нейтрино — антинейтрино. Исследования по истории физики и механики. 2014–2015. М: Янус-К, 2016, с. 429–455.
9. М.А. Марков. Нейтрино. М: Наука, 1964.
10. Л.И. Лапидус. Физика слабых взаимодействий и нейтрино. Природа, 1963, №6, с. 5–8.
11. С.С. Герштейн. Нобелевские премии, которые не получил Понтекорво. Природа, 2013, №11, с. 76–85.
12. С.М. Биленький. Бруно Понтекорво и нейтрино. УФН, 2014, т. 184 (март), с. 531–538
13. Б.М. Понтекорво. Нейтрино в лаборатории и во Вселенной: Бруно Понтекорво. Избранные труды. М: Наука. Физматлит, 1997, т. 2, с. 76–94.
14. J. Steinberger. A personal debt to Bruno Pontecorvo: Бруно Понтекорво. Избранные труды. М: Наука. Физматлит, 1997, т. 2, с. 175–177.
15. Jack Steinberger. https://en.wikipedia.org/wiki/Jack_Steinberger
16. Б.М. Понтекорво. Страницы развития нейтринной физики. УФН, 1983, т. 141, вып. 4, с. 675–709.
17. G. Fidecaro. Bruno Pontecorvo: from Rome to Dubna: Бруно Понтекорво. Избранные труды. М: Наука. Физматлит, 1997, т. 2, с. 195–209.
