Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Нейтрон, меняющийся на протон в изначальной форме бета-распада. До начала распада нет никаких лептонов и никакого электрического заряда. После распада отрицательный заряд электрона компенсирует положительный заряд протона, электронное антинейтрино компенсирует и количество лептонов, и аромат (флейвор) электрона.

Теперь, на первый взгляд, может показаться, что предложенный Понтекорво метод выявления не должен был принимать во внимание наличие античастиц. В его схеме стабильное ядро хлора?37, имевшее 17 протонов и 20 нейтронов, превращалось в радиоактивное ядро аргона?37 с 18 протонами и 19 нейтронами: один нейтрон превратился в протон. При сохранении электрического заряда создание этого протона должно сопровождаться созданием электрона, а поскольку электрон представляет собой материю, а не антиматерию, то и частица, начавшая реакцию, также должна быть материей, а именно нейтрино. Поскольку Солнце излучает нейтрино, метод Понтекорво должен был регистрировать их. Однако именно здесь на сцене появляется запутанная гипотеза Этторе Майораны. Если великий инквизитор был прав, значит, нейтрино и антинейтрино идентичны, а метод Понтекорво должен регистрировать обе частицы.

В 1945 году, через несколько месяцев после окончания войны, семья Понтекорво переехала в Чок-Ривер, чтобы быть ближе к реакторному комплексу – новому месту работы отца семейства. Примерно в это же время три итальянских ученых, работавших над своими секретными проектами, рассказали Понтекорво потрясающие новости о мюоне, и интерес Понтекорво достиг своего апогея. «Эта частица показалась мне по-настоящему интригующей, – вспоминал он в Париже много лет спустя. – Я почувствовал дуновение антидогматического ветра и принялся задавать множество вопросов»

. Понтекорво вместе с канадским физиком Э. П. «Тэдом» Хинксом организовал в Чок-Ривер лабораторию по изучению космических лучей, и в течение следующих нескольких лет они сделали ряд открытий, которые позволили Понтекорво получить ответы на все его вопросы – и не только

.

В результате оказалось, что мюон представлял собой третий лептон. Он имел тот же заряд и тот же спин, что и электрон. На него таким же образом влияет слабое, а не сильное взаимодействие; фактически он имеет настолько много общего со своим более легким родственником, что его часто описывают как «тяжелый электрон». Мюон нестабилен, имеет срок жизни 2,2 миллионных секунды, а затем распадается на электрон и две другие частицы. Понтекорво правильно догадался, что на раннем этапе этой игры в процесс будут вовлечены нейтрино и антинейтрино, и это помогло ему сделать еще одну мудрую догадку: нейтрино должно иметь при себе некое «удостоверение», связанное либо с мюоном, либо с электроном. «Для людей, работавших с мюонами в прежние времена, – вспоминал он в Париже, – вопрос относительно различных типов нейтрино никогда не терял своей актуальности»

.

Если каждый мюон, представляющий собой лептон, распадается на три лептона, одним из которых являлся электрон, то сохранение лептонов предполагает, что две другие частицы должны отменить взаимное влияние друг друга: они должны представлять собой лептон и антилептон – иными словами, нейтрино и антинейтрино. Однако когда частица и ее античастица оказываются в тесной близости друг к другу, они обычно аннигилируют и дают жизнь новым частицам. Поскольку Понтекорво и Хинкс обнаружили, что два незаряженных продукта распада мюона не аннигилируют, то Понтекорво пришел к выводу о том, что у них должно иметься некое пока не известное качество, и оно должно быть каким-то образом связано с различием между мюоном и электроном.

Давайте продолжим этот ход размышлений: для сохранения «мюонности», известной в наши дни под названием «аромата» мюона, новое нейтрино должно быть мюонным, а для сохранения аромата электрона, равного до распада нулю, антинейтрино, созданное в связке с новым электроном, должно быть электронным. И теперь мы можем сказать, что именно это предвидел Вольфганг Паули еще в 1930 году: поскольку электрон создается в изначальной форме бета-распада, соответствующее ему нейтрино должно быть электронным антинейтрино.

Мюон распадается на три частицы. До распада имеется один лептон с ароматом мюона и отрицательным электрическим зарядом. После распада электрон несет электрический заряд, мюонное нейтрино – аромат мюона, а электронное антинейтрино компенсирует аромат электрона и количество лептонов. Таким образом, сохраняются число лептонов, аромат лептонов и электрический заряд.

А теперь вернемся обратно на землю (или, скажем точнее, на антарктический лед). Судя по всему, аромат имеет важное значение для нейтринной астрономии. Мюонное нейтрино может инициировать бета-распад точно так же, как и его электронный родственник, с одним важным отличием, позволяющим родиться именно мюону, а не электрону. Представляется, что выявить мюон проще, поскольку он проникает сквозь лед легче, чем электрон. Выявление мюона было основным принципом работы Антарктического массива мюонно-нейтринных детекторов (проект AMANDA) и до сих пор остается хлебом насущным для IceCube. Мюон – это рабочая лошадка нейтринной астрономии.

В 1947 году, пока Понтекорво и Хинкс все еще занимались своими исследованиями, следы новой частицы (пиона) были обнаружены на фотоэмульсии, проявленной на вершинах гор в Пиренеях и Боливийских Андах. Ученые вскоре поняли не только то, что это – частица, существование которой предсказал Юкава, но и то, что пион превращается в мюон, – это позволяло объяснять, почему на более низких высотах обнаруживалась лишь последняя из этих двух частиц.

Пион также играет ключевую роль как в нейтринной астрономии, так и в экспериментальной физике нейтрино, поскольку он обеспечивает самый очевидный механизм создания высокоэнергетических нейтрино в ускорителях частиц – как рукотворных, так и космических. Когда протон ускоряется в электромагнитном поле, на Земле или в космосе, а затем сталкивается с какой-то другой частицей, такой как фотон или ядро атома, то в результате рождается пион.

Если этот пион не имеет заряда, он распадется на два гамма-луча (фотона). Если же он заряжен, то он может распасться одним из двух путей: либо на мюон и мюонное нейтрино, либо на электрон и электронное нейтрино. Поэтому мы вполне можем создать «нейтринную фабрику» на Земле. Для этого нам нужно каким-то образом направить рукотворный протонный пучок на цель или «поглотитель пучка», создающий пионы, а затем манипулировать заряженным пучком пионов и продуктами его распада так, чтобы создать чистый пучок нейтрино. Предполагается, что космические ускорители, такие как звездные скопления с активным ядром, остатки сверхновых и их потомки, будут ускорять протоны и другие ядра своим особенным образом. Эти частицы будут сталкиваться с космическими поглотителями пучка, создавая пионы, а вследствие этого и космические высокоэнергетические нейтрино, поиском которых и занимается IceCube.

В эти продуктивные годы Бруно Понтекорво с успехом жонглировал одновременно несколькими задачами. Они с Марианной, шведской женой Понтекорво, не только воспитывали детей, но и минимум четыре раза сменили место жительства. В 1948 году, отвергнув несколько предложений от ведущих университетов США и Италии, Понтекорво занял руководящую должность в британской национальной лаборатории прикладных ядерных исследований (Atomic Energy Research Establishment) в Харвелле, и семья отправилась в обратный путь через Атлантику.

К тому времени самым трудным из мячей, которые Понтекорво приходилось одновременно держать в воздухе, были подозрения властей в том, что они с Марианной – убежденные коммунисты. Как и многие итальянские интеллектуалы, Бруно вступил в коммунистическую партию в 1936 году, когда началась гражданская война в Испании. Он познакомился с Марианной в Париже, где работал с супругами Жолио-Кюри (также активными участниками коммунистического движения). В годы работы в Париже Понтекорво выступал против нацизма и фашизма. Его брат Джилло, получивший международное признание в качестве кинорежиссера (более всего он известен по фильму «Битва за Алжир»), тоже был членом Коммунистической партии Италии, а их двоюродный брат занимал в партии высокий пост.

Через год после того, как семья Понтекорво переехала в Великобританию, СССР взорвал свою первую атомную бомбу (точную копию американской), а в марте 1950 года немецкий физик Клаус Фукс, убежденный социалист, также работавший в Харвелле, был обвинен в передаче ядерных секретов Советскому Союзу. Запад захлестнула волна антикоммунистической истерии. Летом того же года сенатор США Джозеф Маккарти начал свою печально известную кампанию против коммунистической «пятой колонны». И давление на Бруно Понтекорво становилось все сильнее.

В сентябре 1950 года Бруно с женой и тремя их маленькими детьми отправились в отпуск в Италию, а затем исчезли. Примерно через месяц правительство Великобритании было вынуждено признать, что один из ведущих ядерных физиков страны, скорее всего, сбежал в Советский Союз. Эта новость тут же оказалась на первых полосах британских газет

.

Люди, которым довелось жить в то непростое время, помнят, как Понтекорво называли шпионом. Общественное мнение эпохи холодной войны объединило его в одну шайку с Клаусом Фуксом, а также Юлиусом и Этель Розенбергами (последние были приговорены в США к смертной казни примерно через шесть месяцев после побега Понтекорво), Кимом Филби и другими советскими агентами. После вынесения приговора Розенбергам журнал Time опубликовал статью под названием «Шпионы: хуже, чем убийство», в которой объявил Понтекорво одним из членов «ближнего круга» зловещих злоумышленников и объяснил, насколько хорошо его предполагаемые преступления (доказательств которых в статье приведено не было) укладываются в общую картину глобального коммунистического заговора.

С тех пор так и не появилось никаких новых фактов, доказывающих, что Понтекорво действительно был шпионом. Современный историк науки доктор Симоне Турчетти – возможно, главный специалист по «делу Понтекорво» – убежден в невиновности Бруно

. Недавно опубликованные секретные документы также показывают, что сотрудники британских правительственных служб прекрасно знали о том, что Понтекорво ни в чем не виноват, однако не стали предавать эту информацию гласности: они в это время вели деликатные переговоры с США о передаче Британии американских ядерных технологий, а миф об измене Понтекорво был весьма удобен определенным политическим фракциям и ряду правительственных агентств, в том числе и ФБР. Так что ни у кого не было никаких причин развенчивать этот миф. Охота на ведьм служила множеству политических целей, однако не имела никакого смысла с точки зрения установления истины.

О местонахождении Понтекорво стало известно лишь через пять лет: в 1955 году он выступил на пресс-конференции в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, неподалеку от Москвы, – известной советской лаборатории, занимавшейся ядерной физикой и физикой частиц. Понтекорво заявил, что оставил Англию, поскольку боялся охоты на ведьм и «давления, которое оказывали на него спецслужбы в ходе проверок»

. По его словам, «он сбежал в СССР, чтобы скорректировать баланс между Востоком и Западом, и он работает в Советском Союзе исключительно в области мирного использования атомной энергии»

. После 1978 года, когда советские власти наконец разрешили Понтекорво выезжать на Запад, он активно участвовал в кампаниях по ядерному разоружению.

Возможно, мы никогда не узнаем всей правды, однако Турчетти смог найти множество документов, говорящих о невиновности Понтекорво, в том числе стенограммы его совещаний с вышестоящими руководителями. Из этих записей видно, что Понтекорво открыто говорил о своих опасениях еще до того, как принял свое судьбоносное решение. Вполне возможно, что он действительно сыграл определенную роль не только в советской программе ядерной энергетики, но и в разработке советского атомного оружия, но только после своего бегства. Маловероятно, что он действовал в интересах СССР до этого.

Но это был неудачный шаг, в том числе и с точки зрения карьеры. В результате своего бегства этот ученый мирового уровня, находившийся в первых рядах в своей научной области, оказался на задворках науки. Конечно, по ту сторону железного занавеса Понтекорво мог и дальше много делать для развития теории, однако Советский Союз серьезно отстал от Запада в технологиях ускорения частиц – а именно в этой области прежде всего и шло главное развитие физики частиц до конца XX столетия.

Одиннадцать человек (все – экспериментаторы) получили Нобелевские премии за свою деятельность, в основе которой лежала теоретическая работа Понтекорво в области нейтринной физики

(это довольно большая ирония, поскольку и сам Понтекорво тоже был, в сущности, экспериментатором). Если бы он счел возможным остаться на Западе – и прожил бы достаточно долго, – то вполне вероятно, что он разделил бы со своими коллегами хотя бы одну из премий

.

Понтекорво умер в Дубне в 1993 году. Согласно его воле, половина его праха была похоронена там, а другая половина – в Риме. Если Вольфганг Паули первым осмыслил идею нейтрино, а Энрико Ферми дал нейтрино жизнь, то Бруно Понтекорво наделил нейтрино личностью. Его догадка о наличии у нейтрино разных ароматов оказалась верной: в 1962 году было открыто мюонное нейтрино

. А в 1958 году, уже из-за железного занавеса, Понтекорво выдвинул предположение о самом странном и загадочном свойстве частицы: о том, что она будет менять аромат, или «осциллировать», в процессе своего движения

.

Итак, нам известны три заряженных лептона: электрон, мюон и тау-частица, открытая в 1975 году

. Тау – это самая тяжелая частица из трех, ее масса почти в 3500 раз больше массы электрона, а ее нейтрино было найдено в 2001 году

. Соответственно, всего существует шесть лептонов в трех парах, и каждый из них обладает античастицей.

Осцилляция, возникающая лишь при наличии у нейтрино массы, означает, что электронное нейтрино в процессе своего движения может превратиться, скажем, в мюонное нейтрино, затем, возможно, в тау-нейтрино, затем обратно в электронное нейтрино и так далее. Представьте себе, к примеру, что во время утренней прогулки ваша собака превращается в кошку, затем в оцелота, а затем обратно в собаку. Истинность гипотезы Понтекорво, выдвинутой в 1958 году, была доказана через 40 лет (и через пять лет после его смерти) с помощью инструмента, вполне привычного для AMANDA/IceCube. Впрочем, не будем торопить события

.

Глава 3

От полтергейста до частицы

Нейтрино делают теоретиков мужественными, а экспериментаторов – настойчивыми.

    – Морис Голдхабер

К началу 1950-х годов все было готово к открытию нейтрино. И решением этой задачи занялись два совершенно не похожих друг на друга человека. Одним из них был эффективный, дотошный и (как показали дальнейшие события) невероятно терпеливый ученый по имени Рэй Дэвис

, физик-химик из Брукхейвенской национальной лаборатории, заявленная миссия которой состояла в изучении «мирного атома». В те добрые старые дни ученых активно побуждали заниматься разными экспериментами. Когда Дэвис поступил на работу и спросил главу кафедры химии, чем он должен заниматься, его попросили самого придумать себе занятие.

Он отправился в библиотеку. Почти тут же он увлекся идеей нейтрино, и интерес к этой идее остался у него на всю жизнь. Несколько лет он проработал над косвенным методом выявления частицы, а в 1951 году приступил к реализации на практике прямого радиохимического метода Понтекорво

.

Заявленная Дэвисом цель первых экспериментов состояла в попытке выявления нейтрино, прилетающих со стороны Солнца. Он хотел понять, будет ли «реакторное» антинейтрино вести себя таким же образом, что и его солнечный собрат

. Суть радиохимического метода состоит в извлечении небольшого числа атомов аргона из большой емкости со специальной жидкостью после того, как нейтрино вступит с ними во взаимодействие. Понятно, что этот метод не позволял определять направление движения прилетающих нейтрино.

Инструменты Дэвиса нельзя было считать телескопами. Тем не менее, направив их на Солнце, он тем самым произвел первый эксперимент в области нейтринной астрономии.

Дэвис решил использовать в качестве специальной жидкости обычное жидкое моющее средство – перхлорэтилен, содержащий четыре атома хлора. Он выстроил два детектора, сравнительно больших для того времени. В одном работало около 200 литров жидкости, а во втором – 3900. Воспользовавшись в качестве источника антинейтрино высокопоточным реактором в Брукхейвене, Дэвис смог уловить с помощью большего по размеру инструмента вполне заметный сигнал, но посчитал, что его источником служат не нейтрино, а поток протонов из реактора. Затем он закопал емкость на глубине около пяти с половиной метров, на значительном расстоянии от реактора. Таким образом он рассчитывал экранировать емкость от влияния космических лучей, и сигнал исчез. Совершенно случайно этот шаг привел к формированию традиции, дожившей до наших дней, – детекторы нейтрино и телескопы располагаются в угольных шахтах и туннелях, а также в других необычных и удаленных от цивилизации местах, например в горах.