Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

через стальную стену, нейтрино встречали на своем пути вещество детектора, в качестве которого использовались недавно изобретенные искровые камеры. В них трек частицы регистрировался как череда искр, возникающих в инертном газе, заполняющем пространство между рядами металлических пластин. Искровые камеры в опыте Шварца – Ледермана состояли из 90 алюминиевых пластин общим весом 10 тонн. Только такая масса детектора позволяла надеяться получить приемлемую статистику. Мюоны оставляли в искровых камерах четкие треки, похожие на штрих-пунктирную линию. Треки электронов выглядели более «кудрявыми», похожими скорее на ветку растения.

Рис. 31-1. Схема опыта Шварца – Ледермана – Стейнбергера.

Набор статистики продолжался 9 месяцев. Экспериментаторы увидели 51 нейтринное событие. И все они были от мюонов. Отсутствие электронов однозначно говорило о том, что мюонное и электронное нейтрино – разные частицы[31]. За это в 1988 г. Л. Ледерман, М. Шварц и Д. Стейнбергер получили Нобелевскую премию.

А что же Бруно? При поверхностном рассмотрении этой истории Бруно выглядит несправедливо обиженным. Однако все намного сложнее и интереснее. Открытие двух типов нейтрино – это идеальная иллюстрация того, насколько понятие «научное открытие» может быть неоднозначным.

Мне посчастливилось быть в ЦЕРН на семинаре, который давали Ледерман и Шварц сразу же после награждения Нобелевской премией. Главное, что запомнилось – это благодарность Бруно, которую выражали лауреаты. Они прямо подчеркивали, что именно дискуссии на конференции в Киеве и статья Бруно стали основой для их эксперимента, который, вообще говоря, был нацелен на другое.

Действительно, изначально Шварц, Ледерман и Стейнбергер вовсе не собирались разбираться с проблемой двух нейтрино. Основной целью их эксперимента был поиск промежуточного бозона во взаимодействиях нейтрино. Официальное предложение эксперимента, которое они направили программному комитету ускорителя AGS, так и называлось: «Изучение взаимодействий нейтрино, поиски промежуточного бозона».

Промежуточные бозоны W±, Z – переносчики слабого взаимодействия, как мы сейчас знаем, имеют массу в районе 80 ГэВ. Но это стало известно только в 1982 г. До этого промежуточные бозоны искали на каждом новом ускорителе, в каждом новом диапазоне энергий. Но в 1964 году поиск их на ускорителе с энергий 15 ГэВ был обречен на неудачу. Если бы Шварц – Ледерман – Стейнбергер следовали заявленной программе эксперимента, то вместо выдающегося открытия их ждала бы только обычная статья в журнале о том, что промежуточный бозон в очередной раз обнаружить не удалось.

Однако, как вспоминает сейчас Стейнбергер [100], их лидера Мелвина Шварца вдохновило замечание выдающегося теоретика Ли Цзун-дао[32] о том, что все имеющиеся до сих пор сведения о слабом взаимодействии были получены в экспериментах с распадами частиц, нельзя ли придумать другой источник для изучения слабых процессов? Это привело Шварца к идее сделать на ускорителе пучок нейтрино и изучать взаимодействие нейтрино с нуклонами. Основная статья Шварца, опубликованная в Phys. Rev. Lett. [101], производит странное впечатление. По сути, это простой расчет числа событий, которые могут быть получены при взаимодействии нейтрино данной энергии с протонной мишенью. Сейчас это уровень дипломной работы. Интересно, в примечаниях отмечено, что автору известна работа Б. Понтекорво о проверке идентичности двух нейтрино.

Однако важность статьи Шварца была в самой пионерской идее использовать нейтрино, созданные на ускорителе. За статьей Шварца была опубликована статья Ли и Янга, в которой обсуждался целый ряд фундаментальных вопросов, которые могли быть изучены во взаимодействиях ускорительных нейтрино. Главной темой они предлагали поиск промежуточного бозона, но про два нейтрино в статье Ли и Янга тоже шла речь.

Итак, Шварц и его коллеги предлагали использовать в реакциях (15) – (16) нейтрино со средней энергией 220 МэВ, которые образовывались при распадах π-мезонов с энергией в районе 1 ГэВ.

А Бруно? Он предлагал другую схему получения нейтринного пучка. Протоны Суперциклотрона с энергией 700 МэВ должны были образовывать большое количество π-мезонов, π-мезоны распадались бы на мюоны. Отрицательно заряженные мюоны быстро поглощались некоторым фильтром, а положительно заряженные мюоны замедлялись и распадались, давая нейтрино со средней энергией 35 МэВ.

Сечение взаимодействия нейтрино с нуклонами прямо пропорционально энергии нейтрино. Чем выше энергия, тем больше событий реакций можно наблюдать. Поэтому изучать взаимодействия нейтрино высоких энергий намного легче, чем нейтрино с малой энергией. Бруно собирался компенсировать этот недостаток за счет фантастической интенсивности протонного пучка Суперциклотрона. Однако этот проект так и не был реализован. Циклотроны с таким током стали работать в мире только в конце 70-х годов. Их стали называть «мезонными фабриками», подчеркивая большое количество мезонов, которое позволяла создать высокая интенсивность первичного пучка. Первые нейтринные эксперименты на мезонных фабриках начались вообще в начале 90-х. Шварцу же удалось сделать пучок нейтрино и выполнить эксперимент за тридцать лет до того, как предложение Бруно стало технически возможным.

Очень хорошо резюмировал создавшуюся ситуацию Леон Ледерман [102]:

«В 1959 г. Понтекорво рассмотрел правильную задачу, но предложил решить ее с помощью безнадежной техники, а Шварц поставил задачу, которая не была решена до 1982 г. после открытия W-бозона, но предложил правильную экспериментальную технику».

С. Герштейн [44] рассказывал, что после того, как была получена Нобелевская премия, Ледерман и Стейнбергер написали добрые письма Бруно, с тем, как было бы хорошо, если бы он был с ними.

Дж. Фидекаро отмечал [29], что идея про два нейтрино была опубликована буквально накануне Рочестерской конференции в Киеве в 1959 г. И в Киеве Бруно подробно обсуждал ее с экспертами. Все это привело к тому, что люди приехали из Киева в полной уверенности, что два нейтрино – разные частицы.

Поэтому совершенно неправ Ф. Клоуз, когда пытается доказать, что трагедия Бруно заключалась в том, что про его идеи никто не знал, поскольку сначала ему запрещено было публиковаться, а потом разрешали статьи только на русском, и перевод на английский запаздывал на два года. Все это лукавство. Запрет на публикации длился до 1955 г. После этого все отчеты Бруно были опубликованы в академических журналах и регулярно переводились. Препринты были прекрасным инструментом обмена идеями. Поэтому в физическом сообществе все всё знали. Не случайно и в статье Шварца есть ссылка на Бруно, да и сами Нобелевские лауреаты открыто говорили о том, что именно идеи Бруно вдохновили их на проведение правильного эксперимента.

32. Немного про кварки и лептоны

Почему открытие двух типов нейтрино было так высоко оценено? В чем состояла гениальность Бруно?

Сейчас мы понимаем, что это открытие было одним из первых указаний на важную особенность нашей Вселенной: элементарные частицы объединяются в ней в некоторые семейства – поколения.

Давайте определим, что мы называем элементарной частицей: это объект, у которого на данном уровне развития физики не обнаружена внутренняя структура. Например, у кварка не найдено никакой структуры до уровня 10-17 см. То есть вплоть до этих расстояний кварк ведет себя как точечная частица. Также мы пока не