Чтение онлайн

Основной вклад Майораны в нейтринную физику связан с тем, что он сформулировал загадку, остававшуюся без ответа более 80 лет. В работе, опубликованной в 1937 году101, за год до своего исчезновения, он представил вариацию уравнения Дирака, согласно которой нейтрино должно одновременно являться и своей собственной античастицей. Эта гипотеза может показаться несколько путанной, но, как мы скоро увидим, она оказала вполне реальное влияние на поиск крохотной частицы.

Казалось, что частица, изначально получившая название «мезотрон», вполне удовлетворяет требованиям к частице, сформулированным двумя годами ранее японским теоретиком Хидэки Юкавой. Юкава выдвинул гипотезу существования некоей «полевой частицы», способной нести или передавать сильное ядерное взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны вместе в составе ядра. Аналогом этой частицы в области электромагнетизма мог бы считаться фотон, переносящий электромагнитную силу. Юкава предсказал массу частицы, а поскольку масса мезотрона Андерсона оказалась в правильном диапазоне, большинство физиков предположили, что это она и есть. Все шло хорошо, но затем три итальянца, участвовавшие в секретных экспериментах во время войны, доказали, что мезотрон не может быть полевой частицей Юкавы, поскольку на него совершенно не влияет сильное взаимодействие103.

И в этот момент на сцене появилась третья ключевая фигура, благодаря которой исследования нейтрино поднялись на новый уровень. Это был Бруно Понтекорво, «высокий, широкоплечий и миловидный чемпион-теннисист из Пизы»104. Он присоединился к «парням с улицы Панисперна» еще студентом, в 1931 году, а затем работал с семьей Жолио-Кюри в Париже в 1938-м – как раз когда Муссолини вступил в союз с Гитлером. Будучи евреем, он, как и его наставник, решил уехать с семьей в США. Это оказалось непростым приключением, в ходе которого он, к примеру, выехал из Парижа на велосипеде ровно в тот момент, когда в город входили немецкие войска, – а потом доехал на этом велосипеде до Тулузы105.

Когда Понтекорво наконец прибыл в Америку, его бывший коллега Эмилио Сегре помог ему найти работу в нефтяной компании, находившейся в городе Талса, штат Оклахома. Там новый иммигрант, много знавший о нейтронном рассеянии, изобрел несколько методов поиска радиоактивных элементов, в том числе и урана. Это было очень важно с военной точки зрения, поскольку самая сложная часть работы над атомной бомбой была связана с накоплением минимально необходимой, так называемой критической массы оружейного урана или плутония. На решение этой задачи пошла львиная доля материальных ресурсов «Манхэттенского проекта».

В 1943-м Понтекорво получил место в исследовательской лаборатории в монреальском университете Макгилл (лаборатория была подразделением секретной англо-канадской ядерной программы Tube Alloys [2] ), и его изобретения начали приносить практическую пользу. Британцы и канадцы были союзниками США, и программа Tube Alloys представляла собой, по сути, одно из ответвлений «Манхэттенского проекта». Во время работы в университете Макгилл Понтекорво играл ведущую роль в проектировании самого продвинутого на то время ядерного реактора – NRX (Nuclear Reactor X) в Чок-Ривер, провинция Онтарио, работавшего на тяжелой воде.

В ходе своей яркой и полной разнообразной анекдотов лекции «Детство и юность нейтринной физики», которую Понтекорво прочел в Париже в 1982 году, он вспоминал, как в середине 1940-х предполагал, что «появление мощных ядерных реакторов превратит процесс обнаружения свободных нейтрино в достаточно респектабельное занятие». В мае 1945 года, за несколько месяцев до первого ядерного испытания «Тринити» в пустыне штата Нью-Мексико, он предложил первый экспериментальный метод выявления нейтрино в техническом отчете для лаборатории Чок-Ривер106107. Этот отчет оставался под грифом секретности в течение четырех лет, возможно, из-за того, что в нем несколько раз использовалось слово pile – служившее, как мы помним, названием ядерного реактора Ферми108.

Базовая идея Понтекорво состояла в том, что если бомбардировать раствор некого специально подобранного вещества множеством нейтрино, которые могут вступать в процесс обратного бета-распада с исчезающе малой долей растворенных ядер и превращать их в новую, радиоактивную субстанцию, то затем эту субстанцию можно было бы выделить из раствора и измерить ее количество. Каждое ядро, подвергшееся трансмутации, представляло бы собой продукт обратного бета-распада и, таким образом, служило бы четким индикатором смерти свободного нейтрино. Изучая один за другим все известные радиоизотопы, Понтекорво обнаружил, что «почти идеальным» для его целей могло служить ядро хлора109, поскольку оно бы превратилось в ядро радиоизотопа аргона, инертного благородного газа, который затем можно было бы легко отделить. Еще одним преимуществом этого изотопа было то, что он обладал сравнительно длинным, 35-дневным периодом полураспада (то есть возвращения в форму обычного хлора при позитронном бета-распаде), то есть его выделение не требовало особой спешки: это можно было делать через определенные промежутки времени и измерять количество, появившееся со времени предыдущей сепарации, с помощью счетчика Гейгера.

В своем отчете, который позже станет легендарным, Понтекорво размышлял о трех потенциальных источниках нейтрино – «мощном реакторе [вариант, которой он сам считал наиболее перспективным], концентрате радиоэлементов, извлеченных из реактора, и… Солнце»110.

В 1939 году Ханс Бете, один из двух ученых, ранее выдвинувших предположение о том, что выявить нейтрино будет невозможно, создал общую теорию формирования энергии в звездах, согласно которой Солнце могло считаться невероятно ярким источником нейтрино111. Если говорить коротко, то все звезды получают энергию путем ядерного синтеза, маленькие ядра – в основном отдельные протоны и альфа-частицы – связываются вместе, образуя более крупные ядра, и практически каждый шаг этого цикла создает нейтрино (как заметил теоретик в области солнечных нейтрино Джон Бакал, «те же ядерные реакции, которые создают нейтрино, заставляют светить наше Солнце»112). Подавляющее большинство из примерно триллиона нейтрино, проходящих сквозь ваше тело, пока вы читаете эти строки, родилось на ближайшей к нам звезде. Разумеется, нейтрино делают это днем и ночью, поскольку проходят сквозь нашу Землю так же легко, как пуля сквозь туман.

К этому моменту вам уже наверняка очевидно, что хорошие физики способны опередить своих коллег на десятилетия, и это вдвойне справедливо в области нейтринной физики, где прогресс идет медленно и для достижения успеха требуются огромные усилия. Уже в 1940-е годы, задолго до экспериментального открытия частицы, о ней было известно очень много. Впрочем, это знание не подкреплялось достаточным количеством фактов и поэтому вызывало вполне разумные сомнения. К примеру, считалось, что ядерные реакторы должны излучать антинейтрино, а Солнце – нейтрино.

Это были первые дни физики элементарных частиц. Странные новые создания появлялись почти каждый год, в основном благодаря инструментам по изучению космических лучей, расположенным на горных вершинах. Их классифицировали по группам, и постепенно ученые начали формулировать новые правила их поведения.

В 1945-м – в том же году, когда Понтекорво изобрел свой метод выявления, – теоретики Абрахам Пайс и Кристиан Мёллер придумали термин «лептон», от греческого слова lep («легкий»). Это позволило им дать характеристику самым легким из известных частиц – электрону и нейтрино. Помимо сравнительно небольшого веса (в то время считалось, что нейтрино вообще не имеет веса), лептоны также отличались от нуклонов тем, что на них никак не влияло сильное ядерное взаимодействие; они были подвержены лишь слабому.

Одно из первых новых правил было связано с понятием «сохранение лептонов». Давайте внимательнее рассмотрим процесс бета-распада, позволивший Паули выдвинуть идею нейтрино. Когда нестабильное ядро углерода-14 преобразуется в ядро азота-14, нейтрон превращается в протон и возникает лептон в виде электрона. Поскольку раньше в этой картине не было лептонов, принцип сохранения лептонов предполагает, что нейтрино, возникающее вместе с электроном, должно иметь форму антилептона или антинейтрино. Поэтому нейтрино, придуманное Паули, фактически представляло собой античастицу. А поскольку именно эта форма бета-распада имеет место в ядерных реакторах, эти последние испускают античастицы, причем в больших количествах.