Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

«прекрасный вкус в физике» [59]. Обычно мы говорим, что у человека прекрасный вкус, когда он славится умением выбирать правильную книгу, спектакль или вино. Так и Бруно всегда выбирал «вкусную», оригинальную физическую проблему – изомерия, нейтронный каротаж, метод детектирования нейтрино, универсальность слабого взаимодействия и, конечно, осцилляции нейтрино.

Судьба этой статьи Понтекорво – интересный феномен для историков науки. Несмотря на то, что она была опубликована в одном из самых главных физических журналов, несмотря на фундаментальность ее основной идеи, реакция на статью была нулевая. Даже Ферми не обратил никакого внимания на эту истинно пророческую работу Бруно и никогда о ней не говорил.

Нобелевский лауреат Джек Стейнбергер в это время работал в Чикаго в группе Ферми. Тогда он выполнил один из первых экспериментов, подтвердивших идею универсальности Бруно, которую он называет «enormously imaginative suggestion»[10]. Стейнбергер пишет [60], что в то время никто не мог и близко вообразить, что есть нечто общее между мюоном и электроном. Гениальная догадка Бруно была сделана слишком рано, чтобы в нее могли поверить. Особенно удивляет Стейнбергера, что даже Ферми, создатель первой теории бета-распада, которого идея универсальности слабого взаимодействия должна была интересовать больше всего, тем не менее никогда не обсуждал ее. Поскольку поток физических статей в то время был существенно мал, а работа Бруно опубликована в очень известном журнале, нельзя предполагать, что Ферми ее не читал. Значит, не верил – делает вывод Стейнбергер.

В научной судьбе Бруно обдумывание идеи универсальности сыграло важнейшую роль. Он стал методично выполнять именно те эксперименты, о которых написал в основополагающей статье [58].

17. Распады мюона

Первым подверглось проверке предположение о спине мюона. Мезон Юкавы должен был иметь спин 0. Поскольку свойства мюона сильно отличались от ожидаемых для мезона Юкавы, логично было бы предположить, что и спин у него не ноль, а ½. Тогда был бы возможен распад

μ → e + γ (5)

Характерная подпись этой реакции – образование в конечном состоянии двух частиц с энергиями в районе 50 МэВ, которые разлетаются друг против друга.

В принципе, нейтральной частицей, образующейся вместе с электроном, мог быть не гамма-квант, а какой-нибудь нейтральный мезон.

μ → e + N0 (6)

В конце 40-х такую частицу называли «нейтретто» и думали, что масса ее на 25–30 МэВ меньше, чем масса мюона. Тогда энергетический спектр электронов должен был обрываться на значениях, меньших 50 МэВ. Из величины граничной энергии электронов можно было бы наложить ограничения на массу нейтретто.

Далее логически был возможен распад мюона на нейтретто и нейтрино:

И, наконец, мюон мог распадаться на электрон и два нейтрино:

Все эти возможности были исследованы Бруно в серии опытов, которые он провел с Тэдом Хинксом в 1948–1949 гг. Они собрали довольно сложную для того времени установку и провели долгие сеансы набора статистики, изучая распады мюонов из космических лучей. Никаких других возможностей получать мюоны в то время не было.

Схема установки [61] для поиска распада (5) показана на Рис. 17-1.

Установка состояла из свинцового фильтра толщиной 15 см, который отсекал мягкую компоненту космических лучей и пропускал преимущественно мюоны. Они попадали в первый ковер А, состоящий из 8 гейгеровских счетчиков, за которым располагался графитовый замедлитель. В нем мюоны распадались, а продукты распада должны были регистрироваться коврами счетчиков В и С. В каждой сборке В и С было по 8 гейгеровских счетчиков длиной 15 дюймов и толщиной 1 дюйм.

Если бы происходила реакция (5), то сначала срабатывал счетчик в ковре А, потом через некоторое время (2,2 микросекунды), которое требовалось мюону для распада, одновременно срабатывали бы счетчики В и С. Одновременно – на практике означает, что сигналы от В и С приходят внутри некоторого окна совпадений, отстоящего на 2,2 микросекунды от сигнала А.

Рис. 17-1. Схема эксперимента по поиску распада мюона (5).

Однако в реальной жизни всегда есть вероятность, что сигналы в В и С могут совпасть случайным образом. Чтобы измерить эффект случайных совпадений, экспериментаторы половину времени работали с установкой, где графитовый поглотитель был убран.

В результате оказалось, что никаких сигналов распада мюона в реакции (5) не видно: наличие или отсутствие графитового поглотителя никак не сказывалось на частоте срабатываний В и С внутри окна совпадений. Она практически не отличалась от частоты случайных совпадений.

Мы говорили, что Бруно был первым в цепочке экспериментаторов, которые хотели найти массу нейтрино в распаде трития. Такая же ситуация сложилась с экспериментами по поиску распада μ → e+ γ. Бруно и Хинкс были первыми, кто не увидел этот процесс. С тех пор поиск этой классической реакции был повторен много раз. По сути каждая новая экспериментальная техника проходила испытание в попытке увидеть распад (5). В настоящее время его не видят на уровне вероятностей 4,2х10-13.

После отрицательного результата по поиску распада μ → e + γ Бруно и Хинкс модернизировали установку, чтобы провести дальнейшее исследование распадов мюона и понять, какая из возможностей (6) – (8) наиболее предпочтительна. Для этого они модифицировали установку, добавили еще один годоскоп с 17 счетчиками Гейгера, добавили еще один графитовый блок, в котором мюоны останавливались, а свойства заряженной частицы определяли по ее поглощению в разных веществах. Пространная статья на 19 страницах в Physical Review [62] заканчивалась четкими выводами:

• спин мюона ½, он не является мезоном Юкавы;

• заряженная частица в распаде мюона – электрон;

• наиболее вероятно, что мюон распадается на электрон и два нейтрино.

μ → e + ν’ + ν" (17-1)

Однако теперь возник следующий вопрос – какова природа нейтральных частиц ν' и ν''? Ответ на него придет почти через двадцать лет и принесет исследователям Нобелевскую премию.

Интересно отметить, что, как вспоминал С. С. Герштейн [44], Бруно всегда называл две нейтральные частицы, рождающиеся в распаде мюона, как ν' и ν''. Он всегда думал о них как о разных частицах. Как объясняет Герштейн, связано это было с присущим Бруно стремлением к строгости в суждениях. В самом деле, в реакции рождаются две нейтральные частицы. Откуда вы знаете, что они одинаковы? Такое отношение и привело Бруно к его знаменитой гипотезе о том, что нейтрино, рождаемое с электроном, может отличаться от нейтрино, участвующего в процессах с мюоном.

Зачем я так подробно рассказываю детали этих опытов? Да просто одна из любимых тем спекуляций вокруг Бруно – какие секреты он похитил в Канаде, США, Англии и передал Советам. Естественно предположить, что по крайней мере часть этих секретов связана с тем, чем этот человек занимался на своей