Такааки Каджита	Артур МакДональд

Нобелевская премия по физике за 2015 год присуждена совместно японскому физику Такааки Каджита и канадскому физику Артуру МакДональду «за открытие нейтринных осцилляций, которые показывают, что нейтрино имеют массу». Нейтрино - частица почти сказочная, будоражащая фантазии. За нейтринные исследования уже присуждено несколько Нобелевских премий. А сколько их еще прячется в будущем… Короче говоря, нейтрино заслуживает обстоятельного разговора. Но, чтобы сделать его понятным, полезно сначала вернуться лет на сто назад, к границе 19-го и 20-го веков.

Предыстория нейтрино

В декабре 1895 года Вильгельм Конрад Рентген сообщил о своем знаменитом открытии нового излучения, названного во многих языках его именем. Оно было невидимым, но заставляло светиться различные флюоресцирующие вещества. Новое открытие произвело огромное впечатление на физиков (да и не только на них; достаточно напомнить, что именно за это открытие в 1901 году была присуждена самая первая Нобелевская премия по физике). Один из физиков, француз Антуан-Анри Беккерель, решил изучить вопрос – если рентгеновские лучи заставляют светиться различные вещества, то не могут ли вещества, которые светятся под действием солнечного света, сами испускать рентгеновские лучи? В основном ответ оказался отрицательным, но в мае 1896 году Беккерель обнаружил, что от солей урана (они тоже флюоресцируют после солнечного освещения), даже без какого-либо внешнего освещения или вообще какого-то внешнего воздействия, действительно идет излучение, которое невидимо, но засвечивает фотоэмульсию. Это излучение отличалось от рентгеновского хотя бы уже тем, что было постоянным, и его невозможно было выключить. Новое явление было названо радиоактивностью. Открытие было отмечено Нобелевской премией в 1903 году.

Когда радиоактивное излучение пропустили через магнитное поле, оно разделилось на три компоненты, названные альфа-, бета- и гамма-лучами. Нейтральные гамма-лучи были нечувствительны к магнитному полю. Они оказались аналогом световых лучей, но с гораздо меньшей длиной волны. А вот альфа- и бета-лучи оказались потоками заряженных частиц, которые в магнитном поле отклонялись в разные стороны. Как показал в 1900 году сам Беккерель, отрицательно заряженные бета-лучи – это поток электронов (напомним, что и электроны были открыты Томсоном примерно тогда же, в 1897 году). Альфа-лучи несут положительный заряд, они оказались ядрами атомов гелия.

Соли урана практически всегда содержат примеси других радиоактивных веществ. Для более детального изучения радиоактивных явлений удобнее разделить эти вещества. И тут начались новые загадки. Фотоны (кванты) гамма-лучей от определенного вещества имеют дискретные энергии (фиксированный набор их). Они и в этом отношении подобны видимому свету, спектр фотонов которого испускается каждым конкретным химическим элементом лишь с дискретным набором частот. Энергии альфа-частиц тоже оказались дискретными. А электроны бета-лучей не хотели подчиняться общему правилу, их энергии были непрерывными. Новые, все более точные и надежные эксперименты лишь подтверждали такую неправильную структуру бета-спектров. К концу 1920-х годов она стала несомненной.

В этой ситуации Нильс Бор высказал предупреждение, что приступая к изучению микромира (конкретно, речь шла об атомных ядрах), т.е., совершенно нового объекта, физики должны быть готовы к неожиданностям. В частности, в микромире, возможно, не выполняется закон сохранения энергии, надежно установленный в окружающем нас макромире.

Однако такой разрыв с привычными представлениями нравился не всем. Вольфганг Паули (уже хорошо известный к тому времени своими важными результатами) предложил другую гипотезу: в бета-распаде, кроме электрона, образуется еще одна частица, названная им «нейтроном». Легкая и электрически нейтральная, эта частица ускользает от наблюдения, но уносит часть выделяющейся энергии. Интересно отметить, что Паули никогда не публиковал эту гипотезу ни в одном научном журнале. Вместо этого 4 декабря 1930 года он написал открытое письмо совещанию специалистов по радиоактивности в Тюбингене. Письмо не было адресовано кому-либо лично и начиналось необычным обращением: «Уважаемые радиоактивные дамы и господа». В письме был поставлен вопрос, могла ли предполагаемая частица остаться незамеченной в опытах того времени. Сам Паули на совещание не поехал, сославшись на необходимость присутствовать на балу в Цюрихе. Возможно, что в действительности Паули, сам довольно ехидный человек, просто не хотел услышать ехидные замечания в свой адрес.

Мне не доводилось слышать или читать, какова же была реакция «радиоактивных дам и господ», но Энрико Ферми заинтересовался новой гипотезой и даже обсуждал ее с Паули. На ее основе в 1933 году он построил свою теорию бета-распада (в связи с открытием в 1932 году «настоящего» нейтрона Ферми переименовал частицу Паули в «нейтрино», что по-итальянски означает «нейтрончик»). Краткую заметку о своей теории Ферми послал в известный и авторитетный британский журнал «Nature». Но журнал отклонил заметку, объяснив, что она не имеет никакого отношения к природе. Заметка была опубликована на итальянском языке в малоизвестном итальянском журнале. Подробную статью о бета-распаде Ферми опубликовал в 1934 году в немецком журнале, конечно, по-немецки (следует отметить, что именно немецкий был тогда международным языком физики, примерно как сейчас английский). В своей статье Ферми рассчитал энергетический спектр бета-электронов, и расчет совпал с результатом измерений. Это было первое, хотя и косвенное, подтверждение гипотезы Паули.

Интересно, что в оценке свойств нейтрино Паули оказался «оптимистом». Он считал очень смелым предположить, что масса новой частицы близка к массе электрона, а длина ее свободного пробега в веществе составляет несколько метров. На самом деле, хотя измерить массу нейтрино пока не удалось, сегодня уже точно известно, что она не превышает четырех миллионных долей массы электрона. А в веществе с привычной нам плотностью (скажем, в свинце) нейтрино может пролететь без взаимодействий около сотни световых лет (один световой год – это примерно десять триллионов километров). Осознав это, Паули стал, наоборот, «пессимистом». Он говорил, что совершил ужасную вещь, постулировав частицу, которую невозможно обнаружить. К счастью, и здесь он оказался не прав. Нейтрино все же обнаружили, хотя для этого потребовалось немало времени и много усилий.

Что значит обнаружить частицу? Это значит найти процессы или события, порожденные этой частицей. Для поисков нейтрино был использован процесс, обратный бета-распаду. Например, нейтрино (точнее, антинейтрино) может при взаимодействии с протоном превратить его в позитрон и нейтрон. Остается «лишь» заметить эту пару. За эту задачу взялась группа физиков под руководством К.Коуэна и Ф.Райнеса. Они использовали огромную по тем временам мишень – бак, содержавший 400 литров водных растворов, в которых позитрон и нейтрон, образованные воздействием нейтрино, порождали вспышки света. Но, конечно, размер бака был очень мал в сравнении со световыми годами. Значит, чтобы что-то увидеть, нужно было использовать очень большой нейтринный поток, чтобы хоть некоторые из частиц могли оставить свой след на расстоянии метров, а не световых лет. Подходящим источником оказался атомный реактор, «промежуточный продукт» работ над атомной бомбой. Для защиты от космических лучей детектор был установлен под землей, на глубине около 10 метров под реактором, который давал добавочную защиту. К 1956 году были получены достаточно надежные подтверждения, что нейтрино – это реальность. За этот результат Райнес получил Нобелевскую премию лишь 40 лет спусти, в 1995 году (Коуэн вообще не получил ее, поскольку скончался раньше). На этом кончилась предыстория и началась история нейтрино.

Д-р физ.-мат. наук Я.И. Азимов

Продолжение следует