Охота за нейтрино

• К пуску готовится «Ангара 5»
• Скачать ЮТ № 5 май 1984
• Физический фейерверк
• Лемех в полиэтилене
• Безопасные качели

Вы просили рассказать

Уважаемая редакция! Несколько лет назад в одном из выпусков клуба «XYZ» вы рассказывали о строительстве установки для регистрации нейтрино на Кавказе. А недавно по радио я услышал о том, что вскоре будет построена еще одна ловушка для нейтрино, теперь уже на озере Байкал. Для чего нужны такие ловушки! Как они устроены! Я думаю, что узнать это будет интересно не только мне, но и многим другим ребятам.

Вячеслав Шейнин, Новосибирская область

Такое, верно, с каждым случалось. Решаешь задачу, а она не получается. Почему? Первый вариант — сам ошибаешься. Вариант второй — уравнение составлено неправильно. И наконец, вариант третий. В школе с ним не встретишься, но в науке…

Идея Паули

Вольфганг Паули не мог решить задачу. И добро бы он один!.. Коллеги молодого швейцарского физика в разных странах ломали головы над уравнением:

В переводе на обыденный язык оно значило: нейтрон атомного ядра распадается на протон и электрон. Такую реакцию наблюдали многие ученые, в ее достоверности сомневаться не приходилось. Но почему энергия нейтрона больше, чем у протона и электрона, вместе взятых? Ведь опыт человечества, воплощенный в одном из главных законов физики — за

коне сохранения энергии, говорил о том, что чудес на свете не бывает, ничто бесследно не исчезает.

В конце концов Паули решился и… дописал в уравнение еще один член:

Ученый, таким образом, предположил, что «лишнюю» энергию уносит с собой некая не замеченная экспериментаторами частица.

С математикой теперь был порядок. Но как быть с физикой? Паули попытался представить, какими свойствами должна обладать изобретенная им частица. Поскольку потерь массы в реакции нет, значит, новая частица очень легка.. Возможно даже, ее масса равна нулю! Паули это не смутило. Он знал, что в микромире энергия и масса взаимосвязаны. И если масса равна нулю, значит, вся она обратилась в энергию.

А вот энергии у новой частицы оказалось невероятное количество. Когда Паули подсчитал свободный пробег — путь, который частица может проде-

лать до вступления в следующую реакцию,— полученное число потрясло его. Он даже записал в своем дневнике: «Я сегодня сделал что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать этого. Я предположил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально…» По расчетам получалось, что новая частица может проникнуть даже сквозь свинцовую стену толщиной в тысячу световых лет!!! Если бы пушинка пробила тоннель в огромной горе — это было бы менее удивительно. Расстояние от Земли до Солнца составляет всего 8 световых минут. Значит, родившись на Солнце, новая частица может проникнуть и сквозь Землю, и сквозь другие планеты и уйти за пределы солнечной системы прежде, чем ее обнаружат.

Как видите, Паули было от чего прийти в отчаяние. Тем не менее его идея понравилась многим физикам. Она снимала теоретические затруднения, сохраняла известные законы, позволяла создавать новые теории… Ученые поняли: изучение нового феномена обещает самые важные и разнообразные сведения. Частицы несут информацию о глубинном строении материи, процессах в звездах и галактиках, могут послужить своеобразной «машиной времени»… Ведь нейтрино — вечные странники,многие из них блуждают в пространстве еще с той поры, когда вселенная была очень молода.

Известный итальянский физик Энрико Ферми предложил. назвать новую частицу «нейтрино», что по-итальянски значит «нейтрончик». Было это в 1930 году.

Сосуд с хлором

Любая теория, как известно, должна подтвердиться экспериментально. Частицу непременно надо было поймать, зарегистрировать, чтобы детально изучить ее свойства. Но как это сделать?

Одним из первых идею ловушки для нейтрино около 40 лет назад предложил академик Бруно Максимович Понтекорво. Внимательно изучив материалы многих экспериментов, он понял, что далеко не все нейтрино имеют одинаковую энергию. Некоторые из них время от времени могут попадать в ядра вещества, вызывать в них реакции, которые можно зарегистрировать. Так, например, если нейтрино с определенной энергией попадет в ядро хлора, то хлор превратится в изотоп аргона. Осуществить идею на практике оказалось вовсе не просто. Чтобы нейтрино оставило след, на его пути пришлось ставить множество баков с хлором — по крайней мере несколько тонн вещества. Сосуды с хлором необходимо защитить от воздействия других частиц, тоже вступающих в ядерные реакции, массивным металлическим или каким-нибудь другим экраном. Наконец, как уловить, зафиксировать момент превращения одногоединственного атома среди миллионов других?..

Ученым все же удалось преодолеть эти трудности. Они экспериментально обнаружили нейтрино, излучаемые атомными реакторами и ускорителями. Существование частицы, которую, как казалось Паули, никак нельзя поймать, было доказано!

Телескоп в недрах

Солнце, как и другие звезды,— мощный источник нейтрино. На Землю должен обрушиваться ежесекундно настоящий нейтринный ливень, миллиарды миллиардов частиц на каждый квадратный сантиметр!

Для поимки этих частиц начали строить солнечные нейтринные ловушки, или, как их еще называют, нейтринные телескопы. Обычно для размещения такого телескопа используют заброшенную шахту или, как это было у нас на Кавказе, специально прокладывают штольню. На глубине нескольких сот метров устанавливают баки с хлористыми соединениями — хлор-аргоновые детекторы. Горные породы служат экраном, защищающим детекторы от воздействий других частиц — в первую очередь от космических лучей. Фотоумножители — приборы, с помощью которых устанавливают факт образования изотопа аргона,— располагают таким образом, чтобы они реагировали на частицы, пришедшие от Солнца сквозь Землю. Так больше вероятность, что в ловушку попадут именно нейтрино, а не другие частицы.

«Маскарад» частиц

Расчеты ученых довольно скоро подтвердились. Нейтринные телескопы заработали, регистрируя частицы. Окончательная победа? В физике нельзя торопиться с выводами…

Когда ученые подсчитали количество обнаруженных нейтрино, их оказалось втрое меньше, чем должно быть. Суммарно на всех установках регистрировали 0,3—0,4 атома аргона в сутки вместо положенных 0,9. Почему математика вновь вступила в спор с физикой?

Было много предположений. Наиболее интересное высказал снова академик Б. М. Понтекорво. Солнечные нейтрино могут устраивать нечто вроде… маскарада с переодеванием. Из недр Солнца вылетают нейтрино одного типа — электронные. Но на пути к Земле, по неизвестным нам пока причинам, две трети из них превращаются в частицы других видов — мюонные и тау-нейтрино.

Рассчитали ученые и энергию, которой должны обладать эти частицы. Она оказалась меньше, чем у обычных электронных нейтрино. А раз так, ни мюонные, ни тау-нейтрино принципиально не могут быть зарегистрированы хлор-аргоновым детектором. Хлор в изотоп аргона они превратить не в силах.

Для продолжения исследований нужны были иные ловушки. Одну из таких ловушек строят по соседству с ныне действующей, под горой Андырчи на Кавказе. Вместо хлор-аргонового в ней будет использоваться германий-галлиевый детектор, потому что для превращения атома галлия в германий требуется меньше энергии,

чем для превращения хлора в аргон.

Однако для досконального изучения нейтрино нужны ловушки с объемом детекторов не менее миллиона кубометров! Это, конечно, не сверхстена из свинца, но все же… Только фантазия Жюля Верна и В. А. Обручева предположила существование в недрах Земли пустот таких гигантских объемов! Тогда ученые решили опустить нейтринные телескопы под воду. Ведь вода тоже может играть и роль экрана, и роль активного вещества. А ее миллиарды кубометров на Земле.

Ловушки под водой

Работать детектор будет следующим образом. Глубоко под водок расположат сеть чувствительных светоприемников-фотоумножителей. Верхние слои воды предохранят датчики от воздействия космических лучей. А придонные будут играть роль детектора. Как только нейтрино столкнется с протоном — ядром атома водорода — или с протонами и нейтронами, входящими в состав атома кислорода, в подводной тьме мелькнет проблеск света. Источником его станут фотоны, которые образуются при взаимодействии нейтрино с атомами кислорода или водорода. Ихто — эти слабенькие вспышки света — и зафиксируют фотоумножители.

Полученная информация по кабелю будет передана из глубины на берег или на корабль и обработана с помощью ЭВМ. Оценив по расчетам интенсивность света, направление движения фотонов, ученые смогут определить, какой энергией обладали зарегистрированные нейтрино, откуда они к нам прилетели.

Местом для испытания опытных образцов аппаратуры — прототипов больших океанских детекторов — выбрано озеро Байкал. Это место удобно со многих точек зрения, считает один из руководителей новой программы, академик-секретарь отделения ядерной физики АН СССР М. А. Марков. Озеро глубоководно, причем большие глубины начинаются сразу же неподалеку от берега, а это облегчает связь с сушей. В нем чистая, пресная вода — поэтому меньше будет помех, создаваемых примесями и солями. На зиму озеро замерзает, значит, в нужный район аппаратуру можно доставить по льду…

Учеными нашей страны уже созданы и испытаны на Байкале первые образцы глубоководных светоприемников.

…Вот, оказывается, к каким последствиям в науке может привести всего один знак v , поставленный полвека назад в уравнение ученым, потому что иначе оно не решалось. Он заставил вести поиск, который будет продолжаться, видимо, еще не одно десятилетие. Сегодня на наших глазах разворачивается новый этап исследований удивительной частицы, которую образно можно назвать «золотой рыбкой микромира» — столь замечательные возможности для науки она в себе таит.

В. БЕЛОВ Рисунки В. МИХЕЕВА

Тема: Вы просили рассказать
Ют №5 1984 год |