Чтение онлайн

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»113. 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 только114.

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»115.

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.