Почему придумали нейтрино?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В прошлой статье я уже обещал ответить на вопрос о том, как физики узнали о существовании этой «неуловимой» частицы. Боюсь, что разочарую вас или, по крайней мере, разбужу ваш «здоровый скептицизм», если скажу, что нейтрино около 80 лет тому назад было открыто… теоретически. Поэтому я хочу сразу успокоить читателей: недавно нейтрино наблюдалось и экспериментально.

«Теоретическое открытие» частицы было сделано в 1931 году швейцарским физиком Паули. А имя ей дал итальянский физик Ферми. «Нейтрино» по-итальянски значит «маленький нейтральный», вероятно, по-нашему можно было бы сказать «нейтральненький».

«Изобретение» нейтрино вызвано кажущимся парадоксом, обнаруженным при исследовании явления бета-радиоактивности. Рассмотрим, например, процесс бета-распада нейтрона, который, как нам сегодня известно, происходит по схеме: нейтрон — протон + электрон + антинейтрино. Наблюдатели «донейтринных времен» думали, что распад этот происходит по схеме: нейтрон — протон + электрон (без электрически нейтральных частиц).

Тут-то и получался парадокс: измеренные энергии вылетающего электрона оказались не строго определенными, а самыми разнообразными. В некоторых случаях у продуктов реакции явно не хватало энергии. Создавалось впечатление, что она куда-то исчезает. Трудности были настолько серьезными, что знаменитый ученый Нильс Бор даже предлагал отказаться от закона сохранения энергии!

А «изобретатель» нейтрино рассуждал так: если характеристики бета-распада несовместимы с принципом сохранения энергии, значит этот процесс неправильно описан. В распаде должна участвовать ненаблюдаемая в опыте нейтральная частица, уносящая «исчезнувшую» энергию. И хотя в каждом процессе выделяется строго определенная суммарная энергия всех частиц, она распределяется между продуктами распада так, что в разных случаях электрон получает разные ее порции.

Итак, нейтрино — это частица, которая при бета-распаде уносит часть энергии. Так предположили физики-теоретики. И сразу же были предсказаны свойства новой частицы: она должна быть электрически нейтральной и чрезвычайно малой по массе. Иначе ее было бы нетрудно обнаружить.

После того как гипотеза о существовании нейтрино была сформулирована, физики попытались найти и другие доказательства его присутствия в бета-распаде. Как известно, при превращениях частиц сохраняется не только энергия, но и импульс. Закон сохранения импульса, вероятно, известен читателю: на нем основан принцип действия ракет. Если нейтрон, испытывающий бета-распад, неподвижен, то его импульс равен нулю. А тогда и суммарный импульс всех частиц — продуктов распада тоже должен быть равным нулю согласно принципу сохранения импульса. Так ли это?

В многочисленных опытах, первый из которых был поставлен русским физиком Лейпунским, было показано, что суммарный импульс электрона и протона при бета-распаде покоящегося нейтрона не равен нулю. Это подтверждает гипотезу нейтрино: «неуловимая» частица уносит «исчезнувший» импульс. Подводя итоги, можно сказать, что нейтрино было изобретено «теоретически», что свойства этой «ненаблюдаемой» частицы были постулированы, а затем подтверждены на опытах.

Такое положение господствовало в физике последние годы. За это время нашлись люди, забывшие, что нейтрино вполне материально и в принципе доступно регистрации, что его «ненаблюдаемость» — временная, вызванная лишь трудностями, связанными с уровнем тогдашней экспериментальной техники. Но физики, равно как и читатели этой статьи, вправе требовать «железной» проверки гипотезы нейтрино.

КАК ПОЙМАЛИ «НЕУЛОВИМОЕ»

Поймать «неуловимое»— зафиксировать эффект, вызванный самим свободным нейтрино — вот что было необходимо для окончательного доказательства существования этой удивительной частицы. Сложность задачи состояла в том, что длина свободного пробега нейтрино в твердом веществе, как уже говорилось, измеряется миллионами миллиардов километров. Иными словами, через километр твердого вещества надо пропустить миллион миллиардов нейтрино, чтобы лишь одному из них дать шанс вызвать какой-нибудь эффект. Казалось бы, задача неразрешимая. Но она была решена.

Помогло бурное развитие нейтронной физики, связанное с открытием и техническим освоением атомной энергии. Известно, какое огромное значение в науке и практике имеют ядерные реакторы — устройства, в которых совершается деление ядер урана нейтронами. В каждом акте деления образуется несколько бета-радиоактивных ядер. И если справедлива гипотеза о существовании нейтрино, то в распадах таких ядер нейтроны должны испытывать превращения согласно знакомой нам схеме: нейтрон — протон + электрон + антинейтрино.

Поэтому мощные реакторы должны быть интенсивными источниками антинейтрино. качестве примера рассмотрим атомный реактор мощностью 300 тысяч киловатт. Полный поток энергии антинейтрино от него составит десятки тысяч киловатт. Очень много! И все же уловить «проскальзывающие» частицы крайне трудно.

О попытке зафиксировать нагрев вещества не может быть и речи. Калориметрические измерения здесь невозможны. Для того чтобы, скажем, половина энергии, перенесенной этим потоком частиц, освобождалась в виде тепла, необходим поглотитель массой 10 в 60 степени тонн, что неизмеримо превышает массу Солнца.

Зато регистрация отдельных событий, вызванных антинейтрино, возможна! Каким же способом? Физики предсказали любопытный ядерный процесс, который, несомненно, может быть вызван нейтрино и антинейтрино, если они существуют, — процесс обратный бета-распаду.

Представьте себе, что антинейтрино встречается с протоном — ядром атома водорода. Что произойдет при этом? Теория утверждает: будут случаи, когда антинейтрино и протон превратятся в позитрон и нейтрон: антинейтрино + протон нейтрон + позитрон. Вероятность этого процесса, если он правильно описан, можно хорошо рассчитать. А регистрируя его в эксперименте, можно одновременно проверить гипотезу существования нейтрино. Разумеется, для эксперимента необходим очень мощный источник «неуловимых» частиц. Но упоминавшийся нами реактор мощностью в 300 тысяч киловатт вполне пригоден для этой цели.

Каждую секунду такой реактор испускает около 5.10 в 19 степени, то есть больше 10 миллиардов миллиардов антинейтрино! На расстоянии 10 метров от реактора через каждый квадратный сантиметр ожидаемый поток антинейтрино составит примерно 10 в 13 степени частиц в секунду. Такой поток антинейтрино, бомбардирующих тонну водородсодержащего вещества (иначе говоря, запас протонов), по расчету должен каждый час вызвать около 100 превращений протонов в нейтроны.

И это предвидение сбылось. Оно подтвердилось в блестящем опыте, выполненном в 1957 году американскими физиками Райнсом и Коуэном. «Неуловимая» частица была, наконец, поймана.

Несколько слов о постановке эксперимента. Поток антинейтрино направлялся в огромный «сцинтилляционный» счетчик — цистерну с водородсодержащим веществом, способным испускать вспышку света («сцинтилляцию»), когда через него проходила электрически заряженная частица. Каждую такую вспышку регистрировали фотоэлементы. Явления происходили в следующем порядке.

Как только протон, которому выпала судьба встретить антинейтрино, превращался в нейтрон и позитрон, последний давал вспышку и регистрировался фотоэлементами. А через некоторое время нейтрон замедлялся. И когда он становился совсем медленным, захватывался одним из ядер атомов вещества счетчика. При этом рождались кванты электромагнитного излучения, которые регистрировались в том же сцинтилляторе.

Как видите, каждое взаимодействие антинейтрино с протоном влекло за собой две вспышки света. Одна из них фиксировалась сразу же, а другая — с некоторой задержкой. Опыт был необычайно трудным. Достаточно сказать, что объем сцинтиллятора примерно в тысячу раз превышал обычный объем подобных устройств, используемых в исследовательских работах по ядерной физике. Пришлось использовать более ста фотоумножителей. Необходимость громадной величины сцинтиллятора вызвана тем, что благодаря «инертности» антинейтрино меньший объем прибора привел бы к очень незначительному числу регистрируемых событий. Для подготовки и выполнения этого уникального эксперимента потребовалось более пяти лет!

Автор: Б. Понтекорво.