Нейтрино - призрачная частица атома

Азимов Айзек

Неужели, наконец, физики столкнулись с непреодолимым барьером, встретились с частицей, которую невозможно обнаружить?

Вряд ли кто-нибудь отважится предсказать подобное, принимая во внимание последние достижения науки. Вряд ли кто-нибудь отважится утверждать, что в науке невозможен и такой подвиг.

А пока будем надеяться, что ученые создадут методы регистрации гравитонов. Подождем и посмотрим.

Послесловие

А. А. Поманский

Понятие нейтрино охватывает в настоящее время одну из наиболее интересных и сложных областей современной физики и нейтринной астрофизики. Экспериментальные установки, предназначенные для исследований в этих областях, настолько грандиозны по размерам, сложны по управлению и уникальны по чувствительности, что само их создание находится на грани достижений современной науки

и техники.

Идеи, заложенные в основополагающих работах советских физиков академиков М.А.Маркова и Б.М.Понтекорво, начали интенсивно претворяться в жизнь в самые последние годы. Причем информация, которая должна быть получена в результате проведения этих экспериментов, настолько фундаментальна и важна для современной физики и астрофизики, что не приходится считаться с большими затратами, необходимыми для создания экспериментальных установок. Физики не жалеют тратить многие годы, а порой и десятилетия для получения этой информации.

Понятно, что каждую книгу и научную статью о нейтрино (а число их год от года растет) читатели встречают с большим интересом. С таким чувством читатели раскроют и книгу Айзека Азимова — замечательного писателя-фантаста и известного популяризатора науки. Однако по мере чтения читателя охватывает некоторое недоумение и даже разочарование: проходит четверть книги, треть, половина, а о нейтрино пока еще, за исключением заглавия и нескольких вводных слов, ничего не сказано. И хотя автор логично «оправдывается» в подстрочном примечании 16, говоря, что ему нужно было подвести читателя к нейтрино, рассказав про законы сохранения, строение атома, радиоактивный распад и другие характерные для микромира явления, тем не менее у читателя остается некоторая неудовлетворенность, тем более что изложение соответствующих вопросов подчас не обладает достаточной научной строгостью. В качестве примера укажем на неоднократно повторяющееся утверждение, что фотоны — это лептоны. Хотя Азимов и говорит, что логично фотону не приписывать лептонное число, далее он опять несколько раз повторяет, что фотон — это лептон. Первая половина книги Азимова кажется тем более лишней, что советский читатель увидел недавно во втором издании замечательную книгу ныне покойного член-корр. АН СССР К.И.Щелкина «Физика микромира», в которой соответствующие вопросы изложены на исключительно высоком научном уровне, сочетающемся с занимательностью, простотой и наглядностью изложения.

Заметно интереснее становится книга, когда А.Азимов переходит непосредственно к физике сегодняшнего дня — к нейтринным экспериментам. Автор подробно и достаточно строго описывает фундаментальный опыт Рейнеса и Коуэна, которые экспериментально подтвердили существование нейтрино, рассказывает о начальных шагах экспериментальной нейтринной астрономии, которой принадлежит огромное будущее, рассказывает, хотя и очень скупо, об опытах на гигантских ускорителях, приведших к открытию мюонных нейтрино. Подробно обосновывается необходимость введения нового квантового числа (лептонного) и соответствующего закона сохранения. Как справедливо отмечает автор, проведение экспериментов с естественными нейтрино из-за малости их потока возможно лишь в глубоко расположенных подземных помещениях для защиты от фона мюонов космических лучей. Однако автор говорит не о всех таких работах. Рассказывая про работу Рейнеса по исследованию нейтрино высоких энергий, возникающих при распаде мюонов, пионов и каонов космических лучей, он ничего» не говорит об аналогичной работе индийско-японо-английской группы, проводимой на территории Индии в шахтах Колар-Голд-Филд. Эта работа, продолжающаяся и в настоящее время, была начата одновременно с работой группы Рейнеса. Интересно, что первые взаимодействия таких атмосферных нейтрино были зарегистрированы на обеих установках почти в одно и то же время, буквально чуть ли не в один день. Надо отметить, что автор допускает грубую ошибку, говоря что Рейнес сообщил о регистрации нейтрино из межпланетного пространства. Как говорилось выше, нейтрино, зарегистрированные Рейнесом, — атмосферного происхождения, и никакого отношения к межпланетному пространству не имеют. Вообще надо сказать, что и во второй половине книги имеется ряд неточностей и путаных выражений. Например, когда вводятся понятия нейтрино и антинейтрино (противоположные утверждения) или говорится о составе первичного космического излучения.

Результат огромной важности в области нейтринной астрономии был получен незадолго до выхода из печати книги А. Азимова в США. Р.Дэвис из Брукхэйвенской лаборатории на установке, расположенной глубоко под землей и содержащей в качестве нейтринной мишени 600 тонн (!) хлорсодержащей жидкости, показал, что верхний предел потока нейтрино, возникающих при распаде В ⁸в недрах Солнца (это нейтрино с наибольшей энергией, которую они могут иметь при условиях, существующих на Солнце — их энергия простирается до 14 Мэв)в 10 раз ниже теоретически ожидавшегося. Хотя после опубликования результатов Дэвиса теоретики «снизили» в 5 раз нижний предел потока этих нейтрино, тем не менее концы с концами у эксперимента и теории не сходятся. Так как не существует (пока!) никаких сомнений в том, что механизм генерации солнечной энергии ядерный, то этому расхождению особенного значения не придают. Однако, если экспериментальный предел регистрации потока солнечных нейтрино высокой энергии (т. е. энергии в несколько мегаэлектронвольт, в то время как в опытах с атмосферными нейтрино — это десятки и сотни гигаэлектронвольт) снова снизят в несколько раз, то ситуация будет близка к катастрофической, так как при любом варианте теории предел этот не может быть уменьшен более чем в 10 раз по сравнению с верхним уровнем. Р.Дэвис собирается увеличить чувствительность своей установки в несколько раз. Стоит подчеркнуть, что он извлекает единичные атомы (!) радиоактивного Аr ³⁷(продукта взаимодействия солнечных нейтрино) из объема жидкости, равного 400 м ³.По сравнению с этим задача о нахождении иголки в стоге сена представляется тривиальной.

Новые экспериментальные возможности для нейтринной физики высоких энергий открываются в связи с запуском в СССР крупнейшего в мире ускорителя протонов под Серпуховом. После того как на нем будет получен нейтринный пучок, энергия нейтрино в котором в несколько раз превысит энергии нейтрино, получаемых на ускорителях в Брукхэйвене (США) и в ЦЕРНе (Швейцария), будут, в частности, осуществлены эксперименты по поиску промежуточного W– мезона — гипотетической частицы, являющейся переносчиком слабых взаимодействий (о ней рассказывает в своей книге А. Азимов), по измерению зависимости вероятности взаимодействия нейтрино от его энергии.

Последний опыт особенно интересен с точки зрения гипотезы, выдвинутой советскими физиками член-корр. АН СССР Г. Т. Зацепиным и В. С. Березинским, о возможном происхождении гигантских атмосферных ливней космических лучей от нейтрино с энергиями, большими 10 ¹⁰миллиардов электронвольт (10 ¹⁹ эв). В.С.Березинский и Г.Т.Зацепин провели расчеты, показывающие, что нейтрино таких больших энергий могут существовать во Вселенной, и предположили, что вероятность взаимодействия этих нейтрино с веществом растет пропорционально их энергии. В настоящее время вопрос о частицах с энергией, большей 3·10 ¹⁹ эв,генерирующих самые большие атмосферные ливни, остается открытым.

Стоит также упомянуть о проекте эксперимента с использованием импульсного ядерного реактора, предложенном советскими физиками член-корр. АН СССР П.Е.Спиваком и Л.А.Микаэляном. Громадный поток нейтрино, создаваемый таким реактором в течение очень короткого времени, позволит проводить опыты по исследованию взаимодействия нейтрино при относительно меньшем уровне радиоактивного и космического фона. А как известно, именно фон ограничивает возможности нейтринных экспериментов. За счет использования импульсности поток нейтрино как бы сжимается во времени, в то время как уровень радиоактивного и космического фона в единицу времени остается практически неизменным.

Эксперименты в областях физики нейтрино и нейтринной астрофизики находятся на самом переднем крае современной науки. Не случайно им уделяется такое большое внимание в разных странах. Причем количество сооружаемых установок все время увеличивается, растут их размеры и сложность экспериментального оборудования. Еще не зарегистрированы нейтрино от Солнца, а ученые уже рассматривают возможности регистрации нейтринных потоков, возникающих при взрывах сверхновых звезд. Уникальная информация, которая может быть получена в результате проведения таких опытов, даст возможность проверить правильность теоретических представлений о строении и эволюции звезд и вообще о развитии Вселенной во времени — вопроса, которому сейчас уделяется огромное внимание.

Осуществление опытов по регистрации нейтринных потоков от взрывов сверхновых звезд упростится, если существуют переходы (осцилляции) между различными типами нейтрино. Б.М.Понтекорво выдвинул идею о возможности таких осцилляций и, проанализировав имеющиеся экспериментальные данные, пришел к выводу, что они также не противоречат гипотезе об осцилляциях. Хотя, как было правильно сказано А.Азимовым, введение мюонных и электронных нейтрино необходимо для описания и понимания результатов экспериментов, тем не менее не исключено, что уже после рождения мюонные и электронные нейтрино взаимно переходят друг в друга и обратно.