Нейтрино - призрачная частица атома - Айзек Азимов

Итак, энергия Солнца излучается в пространстве в основном в форме фотонов и нейтрино, а не одних фотонов, причем большая часть энергии уносится фотонами и только не более 5 % уносится нейтрино. Следует отметить, что фотоны и нейтрино уносят эту энергию по-разному. Фотоны, возникающие в чрезвычайно горячем центре Солнца, где процессы ядерного синтеза протекают при температуре около 15 000 000 °C, легко поглощаются окружающим веществом. Прежде чем снова поглотиться, они проходят расстояние порядка одного сантиметра, затем они излучаются, потом снова поглощаются и т. д. Поэтому свой путь через 600 000 км солнечного вещества от центра Солнца к поверхности фотоны проходят очень медленно. По этой причине солнечное вещество — превосходный теплоизолятор и поверхность Солнца имеет температуру только 6000 °C. Конечно, по земным стандартам там довольно жарко, но нужно принять во внимание, что поверхность с температурой 6000 °C находится на расстоянии лишь немногим более 600 000 км от вещества с температурой 15 000000 °C!

Нейтрино, однажды возникнув, уносится со скоростью света, практически не поглощаясь веществом Солнца (за исключением чрезвычайно незначительного числа случаев). Независимо от того, в каком направлении от центра Солнца вылетает нейтрино, оно будет на его поверхности через три секунды. Затем оно вылетит в межпланетное пространство и достигнет Земли за восемь минут (если оно вылетело в нужном направлении). Оно свободно пролетит через Землю самое большее за 1/25 сек и продолжит свое бесконечное путешествие по Вселенной.

Конечно, нейтрино Солнца разлетаются по различным направлениям и все, за исключением ничтожной части их, пролетают мимо Земли, которая представляет собой очень маленькую мишень на таком большом расстоянии от Солнца. Тем не менее, Земля получает от Солнца 8·1028 нейтрино в 1 сек. Это приблизительно в 450 раз больше числа антинейтрино, испускаемых радиоактивными элементами земной коры, а каждый квадратный сантиметр площади поперечного сечения Земли получает 6·1010 нейтрино каждую секунду.

Солнечная активность является источником большей части получаемых нами нейтрино. Помимо того, на Землю попадают нейтрино от других звезд, но последние настолько далеки от нас, что их нейтрино имеют очень маленькую плотность в околоземном пространстве, поэтому очень немногие из них достигают Земли. (Другими словами, Земля представляет собой значительно меньшую мишень для нейтрино, летящих с альфа Центавра чем для нейтрино Солнца.)

Охота за нейтрино

Если Солнце представляет собой столь щедрый источник нейтрино, почему бы не изловить их, скажем, так же, как были пойманы антинейтрино?

При поглощении антинейтрино протоном образуются нейтрон и позитрон. Когда же нейтрон поглощает нейтрино, происходит как бы зеркальная реакция, при которой образуются протон и электрон, т. е.

ν + п → р++ е-.

В случае антинейтрино ученые были вынуждены выбрать мишень, богатую протонами, а в последнем случае— богатую нейтронами. Тогда как отдельные протоны легко собрать в виде водорода или химических соединений, содержащих водород, как, например, вода. К сожалению, отдельные нейтроны в больших количествах собрать нельзя. Поэтому пришлось иметь дело с атомными ядрами, содержащими большое количество нейтронов. Бруно Понтекорво предложил использовать хлор-37, который составляет одну четвертую всех атомов хлора. Его ядро содержит 17 протонов и 20 нейтронов. Если один из нейтронов захватит нейтрино, он превратится в протон (и излучит электрон), после чего ядро будет иметь 18 протонов и 19 нейтронов и станет ядром аргона-37. Чтобы сделать большую мишень из нейтронов ядер хлора, можно было бы использовать газообразный хлор или, лучше, жидкий хлор, так как жидкость в данном объеме содержит больше молекул (каждая молекула состоит из двух атомов хлора). Однако хлор — коррозионноактивный газ с сильными токсическими свойствами, а сжижение его представляет большие трудности.

Вместо этого используют органические вещества, содержащие хлор. (Нет оснований сомневаться, что в ядерных реакциях участвуют не только свободные атомы, но и атомы, находящиеся в молекулах.) Обычно используют четыреххлористый углерод, молекулы которого состоят из одного атома углерода и четырех атомов хлора, или тетрахлорэтилен, состоящий из двух атомов углерода и четырех атомов хлора. При комнатной температуре — это жидкости, совершенно безопасные при обычных предосторожностях. (Их часто используют при химической чистке.)

Если атом хлора, который является частью молекулы тетрахлорэтилена, поглощает нейтрино и превращается в атом аргона, его связь с молекулой нарушается, так как атомы аргона не вступают в химическую связь с другими атомами. Таким образом, поглощение нейтрино приводит к образованию свободных атомов аргона из атомов хлора, связанных в молекуле. Свободные атомы аргона в конце концов соберутся в крошечные пузырьки газа.

Немногочисленные атомы аргона можно зарегистрировать лишь благодаря их радиоактивности. Хлор-37 — абсолютно стабильный атом, а аргон-37 — неустойчив, и его обнаруживают даже в малых количествах по особой форме его радиоактивности.

Вид радиоактивности удается установить, если концентрация радиоактивных атомов достаточно велика. Для того чтобы повысить концентрацию аргона, баки после нескольких недель облучения (когда радиоактивных атомов накопится нужное количество) продувают газообразным гелием. Гелий (газ, очень похожий на аргон) увлекает за собой атомы аргона, а после того, как они растворятся в гелии, их легче регистрировать.

С помощью хлор-аргоновой методики американский физик Раймонд Дэвис доказал, что в действительности существуют и нейтрино, и антинейтрино (как это и следовало из закона сохранения лептонного числа).

Предположим, что существуют не две такие частицы, а только одна, и что нейтрино, подобно фотону, является своей собственной античастицей. Тогда во всех субатомных процессах эта частица выступала бы в роли нейтрино и одновременно антинейтрино. Например, если мы обнаружили частицу, которая поглощается протоном, образуя позитрон и нейтрон, та же самая частица должна поглощаться атомом хлора, образуя атом аргона. Первая реакция характерна для антинейтрино, вторая — для нейтрино, и если нейтрино и антинейтрино — одна частица, она одновременно выполняет обе функции.

Ядерный реактор излучает частицы, которые поглощаются протонами. Следовательно, — это антинейтрино. Могут ли те же самые частицы превратить атомы хлора в атомы аргона?

В 1956 году Девис установил баки с тетрахлорэтиленом около реактора и не обнаружил такой реакции, т. е. антинейтрино, существование которых было доказано Коуэном и Рейнисом, по-видимому, не могли выполнять функции нейтрино. Значит, должна существовать другая частица со свойствами нейтрино. Таким образом, закон сохранения лептонного числа был подтвержден.

Следующий этап состоит в непосредственном обнаружении солнечных нейтрино. Для регистрации последних были построены нейтринные телескопы, которые состоят из огромных баков, содержащих 450 000 л или более тетрахлорэтилена, расположенных глубоко под землей. (Дэвис работает в серебряном руднике на глубине полутора километров.) В 1965 году Рейнесом, проводившим исследования в золотом руднике в Южной Америке, за девять месяцев было обнаружено семь нейтрино из межпланетного пространства.

На первый взгляд кажется странным, что астрономические наблюдения должны проводиться глубоко под землей, но это имеет определенный смысл. Через слой земли толщиной в полтора километра проникает очень слабый субатомный «шум». Космические лучи экранируются, и остается лишь «шум», связанный со следами радиоактивных веществ в породах, окружающих шахту. А солнечные нейтрино могут совершенно свободно попасть в бак с тетрахлорэтиленом, хотя он расположен на полуторакилометровой глубине. (С такой же легкостью они могли бы попасть в бак, если бы он находился даже в центре Земли.)

Детектирование солнечных нейтрино имеет огромное значение. Фотоны Солнца проходят невероятно запутанный путь через солнечное вещество, и это путешествие очень сильно изменяет их свойства. Нейтрино же доходят до нас непосредственно из центра.

Зная энергии нейтрино, физики, вероятно, сумеют выяснить характер реакций синтеза, протекающих на Солнце. Энергия образующихся нейтрино зависит от последовательности реакций, в результате которых водород превращается в гелий. Зная энергетический спектр нейтрино, можно определить эту последовательность, которая позволит вычислить внутреннюю температуру Солнца и другие его характеристики. Короче говоря, нейтринная астрономия дает нам возможность «заглянуть» прямо в центр Солнца и узнать много интересного.