Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия
Шрифт:
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 нейтрино132. 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 Дэвиса133. 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 нейтрино134.
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»135.
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 бы136.
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 Нагасаки137). 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 ретроспективе138.
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»139.