Нейтрино: нерозкрите вікно в надра Сонця і зірок

Як дізнатися, які термоядерні реакції йдуть в надрах Сонця? Яку температуру має його серцевина? Який був Всесвіт мільярди років тому? Як помирають зірки? Відповідь на ці й масу інших питань вчені сподіваються отримати від нейтрино – учасника безлічі перетворень речовини. Реєстрація космічних нейтрино обіцяє дати початок нової гілки астрономії — нейтринної, покликаної розширити вікно у Всесвіт. Але вже перше завдання нейтринної астрономії – пошук нейтрино від Сонця – виявилося, всупереч очікуванню, надзвичайно складним. Нейтрино поки не може відповісти на поставлені питання. Більш того, питань стало ще більше.

Фізики в повному подиві. Результати проведених експериментів по сонячним нейтрино якось не вкладаються в схему усталених поглядів на роль нейтрино в світобудові. Чим і як пояснити те, що відбувається? Думки найрізноманітніші і суперечливі, теоретичні моделі – одна цікавіша за іншу. Єдине, в чому всі сходяться,— треба ставити нові експерименти. Про все це ми розповідаємо в нашій статті.

Майже десять років безперервно йде експеримент з пошуку нейтрино з надр Сонця. І всі ці роки досвід показує: нейтринного потоку немає!

Можна уточнювати різні деталі реакцій в глибинах Сонця, можна сперечатися про конкретне значення температури в центрі нашого світила. Але в будь-якому випадку одне вважалося безперечним: в процесі вироблення сонячної енергії повинні народжуватися нейтрино.

Частинки ці володіють жахливо великою проникаючою здатністю, вони повинні легко пронизувати маси сонячної речовини і випромінюватися в світовий простір. Неважко підрахувати, який потік нейтрино повинен спостерігатися на Землі. Для вимірювання цього потоку була обрана особлива одиниця, яку назвали «сонячною одиницею нейтрино», або с. о. н. Підрахунки за різними методиками дали близькі один до одного значення — на Землі повинен реєструватися потік сонячних нейтрино інтенсивністю близько 6 с. о. н.

Ще десяток років тому не було ні найменшого сумніву, що такий потік дійсно падає на Землю. Залишалося тільки зареєструвати його і покласти тим самим початок нейтринної астрономії, на яку останнім часом покладаються великі надії як на унікальний засіб дослідження світу.

Треба взяти велику мішень

І експеримент, призначений для реєстрації потоку сонячних нейтрино, був поставлений. Ідея досить проста — нейтрино можуть іноді поглинатися нейтронами, які повинні перетворюватися в протони з випусканням електронів. Ще в 1946 році Б. Понтекорво запропонував зручний спосіб виявляти ці акти взаємодії. В мішені, що містить велику кількість атомів хлору-37, під впливом нейтринного потоку буде відбуватися така реакція. Результатом її явиться бета-розпад хлору-37 з перетворенням його в аргон-37. В якості мішені добре підходить перхлоретилен. Зручний він тим, що не представляє ніякої праці тримати його в рідкому стані, а продукт реакції — інертний газ, який не вступає практично ні в які реакції, легко виділити з рідини.

Правда, через велику проникаючу здатність нейтрино ефективність реакції досить мала. Тому навіть при дуже великому нейтринному потоці темп народження атомів аргону все ж вкрай низький. Так, при інтенсивності потоку в 1 сонячну одиницю лише один з 10³⁶ (!) атомів хлору в секунду може перетворитися в аргон під дією нейтрино. Тому при всій простоті теоретичної ідеї експеримент гранично складний технічно.

Перш за все, потрібна дуже велика мішень. Дослідники з Брукхейвенської національної лабораторії на чолі з доктором Девісом запроторили на глибині близько півтора кілометрів (в справу пішла стара золотодобувна шахта в штаті Південна Дакота) величезний бак ємністю 380 000 літрів, що вмістив 610 тонн перхлоретилену. І навіть при такій величезній кількості речовини очікуваний потік сонячних нейтрино зобов’язаний був народжувати всього один атом аргону за день. Уявіть собі складність завдання: вловити появу в детекторі одного атома аргону за цілий день за умови, що навколишнє нас повітря буквально напхане аргоном, якого в ньому цілий відсоток!

Значить, потрібно ретельно герметизувати систему, виключити найменшу можливість попадання в неї атмосферного повітря. Крім того, треба захистити мішень і від різних випромінювань, які також можуть призводити до народження аргону. В першу чергу — від космічних променів. Для цього і довелося заховати її під землю. Але там є інша небезпека – швидкі нейтрони, випромінювані породою, що є навколо шахти. Захистити цистерну з перхлоретиленом від цього фонового нейтронного випромінювання вдалося, оточивши її товстим шаром води. Потім потрібно було подбати про те, як після кількох діб експозиції відокремити новонароджений аргон від інших радіоактивних газів, особливо таких, як криптон, радон… Нарешті, після такого очищення, що здійснюється методами газової хроматографії, лічені атоми аргону збираються в мініатюрний лічильник радіоактивних випромінювань. Тут-то і виявляється щаслива обставина, яка дозволяє зареєструвати кожен атом аргону Аr37, народжений в реакції Понтекорво — Девіса: всі ці радіоактивні атоми і розпадаються з періодом напіврозпаду 35 днів.

Що ж показав експеримент? Дослідники безупинно підвищують чутливість свого детектора, шліфують і без того ювелірну методику експерименту. Прилади їх вже готові вловити потік частинок, в десятки разів менший спочатку очікуваного. А нейтрино від Сонця все немає!..

Легко уявити, наскільки несподіваним був подібний результат. Спочатку здавалося, що вся справа в недостатньо якісній постановці експерименту. Всю установку ретельно перевірили, врахували все, що могло давати невизначеність результатів.

Ось лише один приклад перевірки системи на працездатність. Спеціальну пробу, що містила відому кількість радіоактивних атомів аргону, ввели в цистерну. Потім протягом трьох днів система працювала в звичайному режимі реєстрації і перерахувала атоми всі до одного! (Зрозуміло, з цілком певною, розумною точністю). Так що надійність системи доводиться абсолютно однозначним способом.

Який же кількісний результат експерименту? В середньому народжується один атом Аr37 за багато днів.

Нейтрино взагалі немає?

Як же можна пояснити відсутність очікуваного потоку сонячних нейтрино? Відразу ж з’явилося безліч різних гіпотез, більшість яких стосується процесів, що відбуваються всередині Сонця. За одними моделями всередині Сонця набагато менше ядер важких елементів, ніж було прийнято вважати раніше, і тому, можливо, там протікають інші цикли реакції. Згідно з іншими – всередині Сонця є швидко обертове ядро або ж там існують величезної сили неоднорідні магнітні поля.

Дійшло навіть до того, що з’явилося припущення, яке викликало одностайне несхвалення і навіть небажання його розглядати (а американський вчений Бакал назвав його просто «огидним»). Полягає воно в тому, що сонячні нейтрино мають короткий час життя і просто розпадаються за ті 8 хвилин, які потрібні їм, щоб долетіти зі швидкістю світла від Сонця до Землі.

Поки одні поспішали переглядати цикли ядерних реакцій у надрах Сонця, а інші занадто вірили в ці цикли і вважали за краще думати, що нейтрино просто не долітають до Землі, знайшовся один вчений, який спробував поглянути на всю проблему інакше. Німецький фізик Багге виступив з сенсаційним повідомленням. Можна дуже легко пояснити, чому в експерименті Девіса не зареєстрований потік нейтрино від Сонця,— сказав він. Досить припустити, що електронних нейтрино просто не існує в природі! І Багге виклав нову концепцію світобудови, яка виключає потребу в цих частинках. Для цього потрібно було «всього лише» по-іншому пояснити спостережувані факти.

Згадаймо процес бета-розпаду ядер. Ми бачимо, що при цьому одним нейтроном в ядрі стає менше, але замість нього з’являються протон і електрон. Є непогодженість із зміною енергії, а також імпульсу. Для усунення цих неув’язок передбачається, що вилітає ще одна частка — нейтрино, але її-то ми ніяк не реєструємо. Але ж можна зовсім обійтися без неї. Для цього потрібно поширити класичні закони на область станів з негативною енергією.

До речі, таке узагальнення у випадку закону збереження енергії вже давно зробив Дірак, який запропонував розглядати античастки як незаповнені «дірки» в просторі станів звичайних частинок, але з негативною енергією. Кажуть, наприклад, що позитрон — це просто дірка серед станів електронів з енергією нижче нуля. У цих термінах анігіляція пари електрон — позитрон є не що інше, як «падіння» електрона на незайнятий рівень з негативною енергією, а народження пари — вибивання електрона з такого рівня в область позитивних енергій. Ці уявлення, вперше висловлені Діраком, спочатку зустріли сильну недовіру, але потім до них звикли настільки, що тепер вони вже сприймаються як само собою зрозуміле.

Багге запропонував зробити наступний крок. Потрібно точно таким же чином узагальнити закони збереження імпульсу та спіна. Виходячи із загальних міркувань, слід визнати, що класичні закони збереження енергії, імпульсу і спіна пов’язані між собою досить тісно. Тому цілком логічною виглядає ідея, що вже якщо узагальнювати ці закони, то всі разом. І ось виявляється, що в цьому випадку електронні нейтрино просто не потрібні!

«Невидима» частина тієї енергії, яку приписували нейтрино, витрачається на те, щоб підняти електрон з області від’ємних енергій у «видиму» область, область позитивних енергій. А вибравшись в доступний нашим спостереженням світ, електрон демонструє нам решту енергії. Закон збереження енергій повністю дотриманий.

Точно так само гіпотеза забезпечує й інші закони збереження: імпульсу, спіна, електричного заряду, числа баріонів і т. д.

Ідея Багге виглядає дуже цікаво, але проти неї є сильний аргумент. Вона не пояснює результат дослідів Райніса та Коуена з реєстрації електронних антинейтрино з ядерного реактора.

Дещо все ж є

Як же бути з тими експериментами, в яких нейтрино вдалося зареєструвати? Адже вже цілих два десятиліття його існування вважається експериментально доведеним. У тому ж самому експерименті Девіса іноді цілком надійно реєструють сплески нейтринного випромінювання.

Уявімо собі, що десь у Всесвіті колапсує зірка. Тоді повинні реєструватися сплески антинейтринних потоків. А що буде, якщо колапс трапиться з «антизіркою» – тілом з антиречовини? Тоді буде сплеск нейтринного випромінювання! Одночасна реєстрація нейтрино і антинейтрино дозволяє не тільки зареєструвати колапс космічного тіла, але і встановити, з якого сорту матерії воно складалося з речовини або антиречовини? Але ці досліди — для більш досконалих детекторів.

Отже, з теоретичної точки зору поки в проблемі сонячних нейтрино повна неясність. У такій ситуації увага знову звертається до експерименту. Дослід Девіса досить хороший, але він адже поки єдиний. Зараз всі згодні з тим, що подібний експеримент добре б повторити іншому колективу. І не просто повторити.

Тепер-то вже ясно, що дослід цей, як кажуть, не є критичним. Під цим розуміють наступне: коли дослід планувався, ніхто не сумнівався в тому, що потік сонячних нейтрино з інтенсивністю близько 6 с. о. н. існує. Експеримент повинен був тільки підтвердити це. Якщо б результати досліду виявилися позитивними, тобто саме такий потік був би виявлений насправді, тоді дослід можна було вважати цілком критичним. Раз цього не сталося, то він зараз вже не є критичним, бо не може відповісти на питання, який же дійсно існуючий потік нейтрино, чи народжуються вони на Сонці і взагалі, чому немає очікуваного потоку в 6 с. о. н.?

Інакше кажучи, тепер вже при постановці експерименту потрібно задавати природі питання в іншій формі або навіть зовсім інше питання.

Автор: І. Первушин.