В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся] - Рудольф Сворень

Но если нейтрино так легко проходят сквозь все и вся, то как можно их обнаружить на Земле? В какие сети поймать? В 1946 г. молодой в то время физик, ныне академик, лауреат Ленинской премии Бруно Максимович Понтекорво предложил хлор-аргоновый метод регистрации нейтрино, на основе которого развились нынешние системы детектирования (обнаружения) этих неуловимых частиц. Сущность метода состоит в следующем: некоторые нейтрино, попав в атомы вещества, все же взаимодействуют с их ядрами; при этом один из нейтронов ядра, выбросив электрон, превращается в протон; число положительных зарядов в ядре увеличивается на единицу; атом передвигается в следующую клеточку таблицы Менделеева; это значит, что происходит рождение нового химического элемента, т. е. именно то, о чем мечтали средневековые алхимики. Вот так нейтрино может превратить атом хлора-37 в атом аргона-37 (рис. 6 на цветной вклейке). Выделив из хлора атомы аргона и посчитав их, мы узнаем число нейтрино, пойманных веществом.

Почти через 10 лет после того, как был предложен этот метод, американский физик Рэй Девис построил первую установку с хлор-аргоновым детектором для регистрации нейтрино, вылетающих из атомного реактора. Основой установки был бак на 12 т перхлорэтилена — хлористого соединения, для которого была отработана технология извлечения атомов аргона-37. Первые же результаты, полученные на новой установке, оказались совершенно неожиданными — никаких нейтрино вообще не было обнаружено. Позже, через несколько лет, этому нашли объяснение — в реакторе образуются антинейтрино, а не нейтрино. Но еще до того, во времена, когда многие компетентные люди считали, что нужно бросить это пустое хлор-аргоновое предприятие, Девис, продемонстрировав пример удивительной целеустремленности, начал создание новой, значительно более крупной установки с 600-тонным перхлорэтиленовым детектором. Установка в этот раз была рассчитана на регистрацию солнечных нейтрино, строилась она 4 года, и в 1968 г. пошли первые результаты измерений. Эти результаты тоже были отрицательными — профессор Девис солнечных нейтрино не обнаружил.

Результаты Девиса, конечно же, вызвали поток идей и мнений, в том числе и самых экстремальных. Кое-кто считал, что наступил второй солнечный кризис, что нужно полностью отказаться от термоядерных циклов и признать свою полную несостоятельность — в звездах, в частности в Солнце, действуют какие-то незнакомые нам источники энергии. А может быть, там горит вакуум… Или полыхает время… Или тлеет еще какое-нибудь неизвестно что. И другая крайность — результаты Девиса вообще нельзя принимать всерьез. Где гарантия, что из детектора извлекается весь аргон? Может быть, атомы аргона просто «прилипают» к хлору и мы, таким образом, не получаем вообще никакой информации о действии нейтрино…

Что касается экспериментальной «грязи», то Девис, кажется, сделал все возможное, чтобы исключить ее. Он, например, поштучно вводил в бак атомы аргона-37, а затем извлекал их почти все до одного. Или превращал хлор в аргон, но уже не с помощью нейтрино, а совсем другим, тщательно контролируемым способом, и опять-таки извлекал все атомы, которые должны были появиться согласно расчетам. Кое-кто из скептиков еще пытается раздуть уголек сомнений, но вряд ли из "него разгорится пламя, способное ликвидировать проблему. И в то же время пока никак не скажешь, что проблема солнечных нейтрино переросла во второй солнечный кризис.

Действие шестое. Неожиданный результат нейтринных экспериментов пока может привести к одному только выводу — нужно работать. Начнем с того, что Девис, повысив точность метода, все же обнаружил нейтрино, хотя и в чрезвычайно малом количестве, пока оно согласуется с моделями Солнца не на много лучше, чем прежнее «ничего». Вместе с тем теоретики пересмотрели эти модели и заметно снизили свои требования касательно нейтринных потоков. Началось также конструктивное обсуждение некоторых, как казалось раньше, слишком смелых гипотез, которые могли бы объяснить низкий уровень нейтринных потоков, регистрируемых на Земле.

Одна из таких гипотез предполагает, что в недрах Солнца периодически происходит резкое перемешивание вещества, температура падает, интенсивность термоядерных реакций уменьшается, а значит, уменьшается и поток нейтрино. Если принять эту гипотезу, то Девису просто не повезло, не в ту эпоху он занялся измерениями — надо было взяться за это дело на несколько миллионов лет раньше или на несколько миллионов лет позже.

Снижение солнечной активности после перемешивания сказывается на тепловом режиме планет, возможно, именно оно и было причиной ледниковых периодов на Земле. При этом нужно учесть, что нейтрино быстро, без задержки пробираются через Солнце (слабые взаимодействия!), а тепловые излучения движутся к поверхности Солнца очень медленно.

А вот другая гипотеза, ее выдвинул академик Б. М. Понтекорво. Нам известны два вида нейтрино — их называют электронными и мюонными с учетом реакций, в которых эти нейтрино участвуют. В солнечных циклах рождаются электронные нейтрино, и только их умеют обнаруживать хлор-аргоновые детекторы. Но есть повод предположить, что нейтрино осциллирует, что оно переходит из одного вида в другой, подобно тому, скажем, как в электромагнитной волне или в колебательном контуре энергия перекачивается из электрического поля в магнитное и обратно. Если это так, то вполне вероятно, что вылетевшие из Солнца электронные нейтрино по пути превращаются в мюонные нейтрино, а их хлор-аргоновый детектор просто не замечает.

Теперь о самом, пожалуй, главном недосмотре сторонников второго солнечного кризиса: эксперименты Девиса ни в коем случае нельзя отнести ко всему комплексу солнечных циклов, так как многие нейтрино в этих экспериментах в принципе не могли быть обнаружены. Солнечные нейтрино рождаются в нескольких ядерных превращениях (рис. 5).

Основное из них — это рр-реакция. Нейтрино, которые появляются в этой реакции, могут иметь разную энергию, но не более 0,4 МэВ. И поэтому хлор-аргоновый детектор не может зарегистрировать нейтрино от рр-реакции— порог чувствительности этого детектора 0,816 МэВ. Иными словами, хлор может превратиться в аргон лишь в том случае, если за это дело возьмется нейтрино с энергией более 0,816 МэВ, а нейтрино рр-реакции для этого слишком слабы. Более того, оказывается, что из-за сложных процессов внутри ядра 0,816 МэВ — это, если можно так сказать, лишь формальный порог; реально же для «срабатывания» хлора нужны нейтрино с энергией около 5 МэВ. А поэтому результаты Девиса относятся лишь к двум веточкам солнечного термояда, эти результаты никак не приговор, а лишь призыв к размышлениям и исследованиям.

Действие седьмое. Мы отправляемся на Северный Кавказ, на строительство первой советской нейтринной обсерватории. Приборы для регистрации солнечных нейтрино и некоторых других частиц, прибывающих из космоса, размещают глубоко под землей. Земная толща — это фильтр, он защищает детекторы от «лишних» космических лучей, которые, в частности, могут вызвать ложное «срабатывание» атомов хлора. Девис установил свою аппаратуру в старой заброшенной шахте глубиной 1,5 км. Сейчас строятся нейтринные телескопы в ответвлении автомобильного тоннеля под Монбланом.

Обсуждается и очень дорогой проект ДЮМАНД — укрытая в океане под многометровой толщей воды система фотоэлектронных приборов, которые караулят слабые вспышки света, вызванные в самой морской воде космическими частицами. Проект обсуждается уже много лет, но к его осуществлению пока еще никто не приступает. Очень возможно, что путь от идеи этого проекта к реальности резко сократится благодаря сравнительно недавнему предложению советских физиков Г. Аскарьяна и Б. Долгошеина. Они предложили регистрировать не световые вспышки, а звуковые импульсы, сопровождающие рождение ливней космических частиц в воде. Такие ливни возникают, когда нейтрино гигантских энергий разрушает ядро. Регистрировать звук значительно удобней, чем свет, в частности, потому, что звуковая волна хорошо распространяется в воде и индикаторы звука можно располагать на значительно большем расстоянии, чем индикаторы света, увеличив тем самым общий объем подводного детектора. Или можно уменьшить число индикаторов, сделать «сеть» более редкой при том же контролируемом объеме роды. Именно от этого объема зависит число пойманных нейтрино Предложение советских физиков вызвало большой интерес, предполагается, что оно может в сотни и тысячи раз повысить эффективность системы.

Уникальное сооружение нейтринной астрофизики создается в нашей стране на Северном Кавказе — в долине реки Баксан строится крупная многоцелевая нейтринная обсерватория Института ядерных исследований АН СССР, для нее сооружается четырехкилометровый горизонтальный тоннель с большими лабораторными залами.