Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Затем Дэвис в рамках уже этой традиции дождался августа и перевез свой инструмент меньшего размера на вершину четырехкилометровой горы Эванс в штате Колорадо. Там он смог измерить еще один ложный сигнал и посчитал, что его источником также служат космические лучи. Как я уже говорил, Дэвис был очень дотошным и аккуратным человеком. Когда он наконец опубликовал свои результаты в 1955 году

, он не стал заявлять, что ему удалось найти нейтрино (в какой-либо форме). С другой стороны, он использовал свой нулевой результат и очевидно низкую чувствительность своего инструмента для расчета верхней границы нейтринной яркости Солнца. (Ограничения, как мы еще убедимся, очень важны в физике: если вы чего-то не видите, но точно знаете, насколько чувствителен ваш инструмент, то вы можете сказать, что, какой бы источник вы сейчас ни изучали, он недостаточно яркий для того, чтобы вы увидели его сигнал, а это уже говорит вам что-то о физике этого источника.)

Позднее Дэвис рассказывал, что одного из рецензентов научного журнала совершенно не впечатлили соображения Дэвиса о верхней границе, поскольку эксперимент, по мнению рецензента, был слишком грубым для того, чтобы он вообще позволял сделать какие-либо заключения о существовании нейтрино

. Рецензент проиллюстрировал свою точку зрения замечанием о том, что «ученый не вправе выдавать за научную работу описание эксперимента, который заключается в том, что экспериментатор стоит на вершине горы, пытается дотянуться до Луны, а потом приходит к заключению, что расстояние до Луны больше, чем несколько метров». Чуть позже результаты других экспериментов самого Дэвиса показывали, что его изначальная граница была завышена примерно в 15 000 раз – или, если говорить простым языком, что его инструмент был в 15 000 раз менее чувствительным, чем требуется для выявления солнечных нейтрино. Дэвис вновь вернулся к чертежной доске.

Вторым человеком, посвятившим себя этой загадке, был физик по имени Фред Рейнес, на год моложе Дэвиса

. Изначально Рейнес был теоретиком. Он получил свою докторскую степень в 1944-м, защитив диссертацию под названием «Жидкокапельная модель ядерного деления». С учетом высокой актуальности этой темы (публикация диссертации была отложена на послевоенное время), его тут же пригласили в «Манхэттенский проект» в Лос-Аламосе. Однако он пришел туда слишком поздно, чтобы внести какой-то существенный вклад в создание бомб, использовавшихся в ходе войны. Рейнес остался в Лос-Аламосе, участвовал в испытании многих ядерных устройств в южной части Тихого океана и со временем получил должность руководителя испытаний с кодовым названием «Операция „Парник“» на атолле Эниветок. Испытания были частью программы создания водородной и термоядерной бомбы.

В 1951 году, устав от прикладных задач и желая заняться чем-то более фундаментальным, Рейнес попросился у своего начальника – также человека открытого и готового обсуждать необычные предложения – в отпуск, во время которого он мог бы «поразмышлять». Позднее, вспоминал Рейнес, он

переехал в пустой кабинет и там в течение нескольких месяцев таращился в чистый блокнот в поисках осмысленной темы, которая могла бы стать достойным делом всей жизни. Это было очень сложное время. Шли месяцы, а все, что мне удалось извлечь из подсознания, – это идея возможного использования бомбы для прямого обнаружения нейтрино

.

Случилось так, что тем летом в Лос-Аламос приехал Энрико Ферми, поэтому Рейнес

прошел по коридору, тихо постучал в дверь и сказал: «Я бы хотел поговорить с вами пару минут о возможных методах выявления нейтрино». Ферми был ко мне расположен и спросил: «Расскажите, что вы об этом думаете?» На это я ответил: «Что касается источника, то думаю, что лучший – это бомба». После короткого раздумья Ферми произнес: «Да, бомба – это лучший источник».

Это было хорошее начало, и я продолжил: «Но для этого нужен очень большой детектор, а я не знаю, как его сделать». Ферми немного подумал и признался, что тоже этого не знает. Я вернулся от Мастера совершенно уничтоженным.

Рейнес вновь обратился к своему чистому блокноту. Несколько месяцев спустя он и его коллега из Лос-Аламоса по имени Клайд Кован летели по делам на восток, у их самолета возникли неполадки с двигателем, и они были вынуждены приземлиться в Канзас-Сити. У Рейнеса и Кована было несколько свободных часов, пока чинили двигатель, и они принялись обсуждать разные идеи. В конце концов оба согласились, что надо бы «поработать над нейтрино». Кован «знал о нейтрино не больше моего», писал Рейнес, «но он был хорошим экспериментатором и отчаянно храбрым человеком. Мы обменялись рукопожатием и приступили к исследованиям нейтрино»

.

Им удалось сконструировать детектор, который можно было бы использовать вместе с бомбой. Они задумали закрепить его на весу в подземной вертикальной шахте, из которой был откачан воздух; шахта была расположена примерно в 60 метрах от башни, на которой была размещена бомба. Ученые планировали освободить детектор в момент детонации бомбы: он начал бы падать в вакууме, и его не смогла бы разрушить ударная волна. После того как детектор наконец приземлялся на подушку из пуха и пенорезины на дне шахты, он мог начать регистрировать множество антинейтрино, излучаемых многочисленными побочными продуктами деления в результате взрыва. Через несколько дней, когда степень радиоактивности на поверхности упала бы до приемлемых значений, детектор можно было поднять из шахты и прочитать результаты, записанные на устройстве.

Впрочем, эта смелая концепция так и не была реализована. Когда ученые представили ее на семинаре в Лос-Аламосе, один из их коллег предложил заменить бомбу реактором. Рейнес и Кован оперативно создали новую концепцию и вновь обратились к Ферми, на этот раз в письме. Теперь мастер был более оптимистичен:

Очевидно, что ваш новый метод намного проще с точки зрения реализации и обладает серьезным преимуществом – вы можете повторять измерения любое количество раз… Я не вижу ни одной причины, по которой эта идея не сработала бы

.

Метод Рейнеса и Кована в корне отличался от того, что предлагал Понтекорво. У нового метода имелось и еще одно преимущество – детектор можно было настроить на улавливание антинейтрино, которые, как ожидалось, будут исходить из реакторов.

Детектор напоминал по форме сэндвич с ветчиной: у него было два слоя «ветчины» и три слоя «хлеба», один из которых располагался в центре, между «ветчинными» слоями, а еще два – сверху и снизу. «Ветчинные» слои представляли собой емкости с водным раствором хлорида кадмия, а «хлебные» – емкости с жидким сцинтиллятором, состояние которого контролировали оптические детекторы (сцинтилляторы – это материалы, которые отдают свет при прохождении через них заряженных частиц или гамма-лучей).

Метод был основан на процессе обратного бета-распада с участием позитрона (этот процесс был описан Жолио-Кюри). Антинейтрино из реактора сталкивается со свободным протоном в воде целевого слоя, в результате чего превращается в нейтрон и выбрасывает позитрон. Это приводит к появлению двух вспышек света. Первая возникает почти сразу же после того, как позитрон находит ближайший электрон, и они подвергаются взаимной аннигиляции, отправляя два фотона в противоположных направлениях. Именно поэтому между целевыми, «ветчинными» слоями располагаются «хлебные» слои, предназначенные для выявления нейтрино: аннигиляция одновременно осветит соседние емкости со сцинтиллятором. Затем новорожденный нейтрон задерживается в жидкости «ветчинной» емкости в течение примерно пяти миллионных секунды, после чего его захватывает одно из ядер растворенного кадмия. Возникающая при этом секундная вспышка гамма-луча освещает две емкости, наполненные сцинтиллятором. Задержка в пять микросекунд служит признаком нейтринного взаимодействия, позволяющим отделить его от шума, создаваемого заряженными частицами в составе космических лучей, которые будут неминуемо просачиваться сквозь детектор и рассеивать нейтроны и протоны из реактора.

Кован и Рейнес провели первый этап своих экспериментов в начале весны 1953 года на реакторе в Хэнфорде, штат Вашингтон (этот реактор в свое время использовался для создания оружейного плутония для бомбы, которая затем будет сброшена на Нагасаки

). Несмотря на высокий уровень шума от космических лучей, ученые заметили усиление сигнала при активизации работы реактора и после нескольких месяцев убедились в том, что это усиление объективно происходит. В ноябре они заявили, что, «возможно», обнаружили свободное нейтрино. Заявление было несколько поспешным, и можно предположить, что на нем настоял именно Рейнес: он был намного более агрессивным, чем Кован – скромный и глубоко верующий католик. Рейнес несколько затмевал Кована в течение всего их сотрудничества – так же, впрочем, он поступал в отношении большинства своих коллег. Позднее Кован писал, что это их «свидетельство не выдержало бы испытания в суде» и что «правдивость» этого свидетельства стала ясной лишь в ретроспективе

.

Тем не менее это была серьезная новость, и вскоре она перелетела Атлантический океан и дошла до человека, который придумал эту частицу двумя десятилетиями ранее. Молодой постдокторант Уильям Баркер, работавший в то время с Паули, пишет, что, когда новость дошла до Цюриха, несколько друзей и преданных соратников великого ученого устроили для него праздничный ужин на холме Утлиберг неподалеку от города:

На обратном пути вниз мы с Конрадом Блейлером заметили, что Паули слегка пошатывается от красного вина, которое мы пили за ужином (как вежливый человек, он не пропускал ни одного тоста своих коллег). Блейлер сказал мне: «Возьми его под левую руку, а я возьму под правую – теперь мы не можем позволить себе его потерять»

.

Праздник был несколько преждевременным, поскольку эксперимент Рейнеса и Кована нельзя было назвать полностью совершенным, но, откровенно говоря, Паули был рад любому поводу для хорошей вечеринки.

Кован и Рейнес отправились обратно в Лос-Аламос, чтобы заняться усовершенствованием своего детектора, и вскоре узнали от теоретика Джона Арчибальда Уилера, что на территории полигона радиоактивных отходов Саванна-Ривер в Эйкене, штат Южная Каролина, завершается строительство самого мощного реактора в мире

. Осенью 1955 года Кован и Рейнес, захватив с собой семьи, отправились на другой конец страны, чтобы провести на этом реакторе вторую серию экспериментов. Все это напоминало атмосферу какого-то летнего скаутского лагеря: они рассказали о своем методе Рэю Дэвису, и тот тоже запустил второй этап своих экспериментов бок о бок с ними. Дэвис снова ничего не нашел, однако Кован и Рейнес нащупали золотую жилу.

Новый реактор создавал намного больше нейтрино, а ряд усовершенствований в конструкции позволил ученым снизить уровень фонового шума. К началу июня 1956 года они получили вполне конкретный результат. О степени «застенчивости» нейтрино может говорить то, что, согласно их расчетам, реактор излучал около 12 триллионов электронных антинейтрино сквозь каждый квадратный сантиметр детектора каждую секунду, однако при этом ученым удавалось выявлять лишь три случая обратного бета-распада в час

. Кован писал:

Мы сделали то, что хотели. Мы испытали совершенно незабываемые ощущения от того, что открыли для человечества новое научное знание, и до какого-то момента были единственными в мире, кто обладал этим знанием. Мы доказали, что нейтрино существует в качестве объективного и поддающегося обнаружению явления природы. Великим законам сохранения энергии удалось выстоять. И наша небольшая группа смогла внести в это свой вклад

.

К тому моменту Рейнес и Кован уже были полностью уверены в своих результатах и осмелились обратиться к Паули напрямую. 14 июня они отправили в Цюрих телеграмму:

Мы счастливы сообщить вам, что определенно зарегистрировали нейтрино от фрагментов деления при наблюдении за обратным бета-распадом протонов. Наблюдаемые значения поперечного сечения соответствуют ожидаемому значению 6?10

квадратных сантиметров.

Телеграмма была переправлена Паули, который в то время сидел на собрании в ЦЕРН – европейской лаборатории, находящейся в пригороде Женевы. Получив через 26 лет столь явное подтверждение своих мыслей о «необычном средстве», способном разрешить кризис в ситуации бета-распада, Паули прервал ход собрания, чтобы зачитать телеграмму вслух и сделать несколько спонтанных комментариев. Затем он ответил Ковану и Рейнесу ночной телеграммой (которая оплачивается по более низкому тарифу), процитировав в ней китайскую поговорку:

Спасибо за ваше сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать.

Однако эффект Паули проявился и в этом случае, поскольку телеграмма так и не дошла до адресата!

Рейнес получил копию телеграммы от Чарльза Энца, последнего из ассистентов Паули, лишь через 30 лет.

Теперь оставалось завершить небольшое пари на ящик шампанского, которое Паули заключил в свое время с Вальтером Бааде и о котором мы знаем со слов Фреда Хойла. На конференции, посвященной нейтрино, проходившей в лондонском Королевском обществе в 1967 году, Хойл рассказал, что Паули рассчитался за проигрыш: «Я знаю это точно, поскольку лично выпил часть этого проигрыша»

. Впрочем, Паули, верный себе, также выпил немалую его часть.

* * *

Можно было бы предположить, что открытие такого масштаба должно стать безусловным успехом, однако у крошечной частицы были свои собственные планы. По словам Чарльза Энца, «несколько последующих экспериментов заставили ученых заметить некий встроенный дефект»

. Возможно, Ковану и Рейнесу действительно удалось найти нейтрино, однако они слишком поторопились с публикацией четкого значения так называемого сечения. Эта величина описывает вероятность возникновения взаимодействия, связанного со столкновением или чем-то подобным, и имеет размерность площади. Для удобства понимания представьте себе окно, в которое вставлено стекло – настолько прочное, что если какой-то ребенок бросит в него жесткий бейсбольный мяч, то стекло разобьется лишь в одном случае из десяти. В данном случае сечением для соприкосновения мяча со стеклом будет считаться площадь окна, а сечение для случая, когда стекло разобьется, будет в 10 раз меньше.

Помимо публикации числа –6?10

см

, указанного в телеграмме в адрес Паули, Кован и Рейнес сделали следующий шаг и заявили, что это значение находится «в пределах 5 %» от теоретически предсказанного значения сечения, с величиной погрешности в пределах около 10 %. Таким образом, теоретическое значение отлично вписывалось в их экспериментальный диапазон.

Но еще до того, как они рассказали миру о своем новом открытии, два американских теоретика китайского происхождения с восточного побережья США – Ли Чжэндао из Колумбийского университета и Янг Чжэньнин из Института перспективных исследований – начали подозревать, что нейтрино (или, точнее, слабое взаимодействие) может обладать удивительным качеством, способным увеличить теоретическое значение в два раза. Узнав об этой идее, Рейнес решил настаивать на своем и принялся упрямо защищать анализ, который они провели вместе с Кованом. В течение следующих шести месяцев подозрения, выдвинутые Ли и Янгом, были подтверждены другими экспериментами, и расхождение с цифрами, полученными в Саванна-Ривер, стало сложно игнорировать. Еще раз изучив свои методы, Кован и Рейнес поняли, что они «существенно переоценили эффективность обнаружения частицы»