Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

поскольку мы видим, что исчезают именно мюонные нейтрино, а с электронными ничего не происходит, то наиболее подходящее объяснение состоит в осцилляции мюонных нейтрино в тау-нейтрино.

Следующим подтверждением идей Бруно было открытие осцилляций реакторных нейтрино. Типичная энергия антинейтрино из реактора составляет порядка 4 МэВ, тогда для Δm2 ∼7,65 10-5 эВ2 длина осцилляций будет порядка 130 км. То есть, чтобы зарегистрировать эффект осцилляций, детектор антинейтрино нужно размещать на сотню километров от реактора. Конечно, поскольку заранее величина ∆m2 была неизвестна, никто не знал, как правильно выбрать расстояние. При жизни Бруно было проведено несколько экспериментов по поиску осцилляций реакторных нейтрино. Всякий раз получались некоторые намеки, но в целом никаких убедительных доказательств существования осцилляций не было найдено. И лишь в 2002 году эксперимент KamLAND, в котором среднее расстояние от 53 реакторов составляло 180 км, получил четкое подтверждение существования осцилляций у реакторных нейтрино. Была набрана большая статистика реакции

Рис. 36-7. Вероятность выживания антинейтрино, рассчитанная как отношение числа найденных в эксперименте KamLAND событий к теоретическому предсказанию в отсутствие осцилляций (точки с ошибками). Сплошная кривая и гистограмма – расчет в предположении осцилляций с длиной осцилляции L0 = 180 км [153].

ν_e + p → e+ + n (39)

которая позволила обнаружить не только недостаток антинейтрино, но и увидеть характерные изменения числа антинейтрино на разных расстояниях (см. Рис. 36-7).

Конечно, настоящая трагедия Бруно состояла в том, что он не увидел всех этих результатов, подтверждающих одну из основных его физических идей. Также не повезло ему с обнаружением осцилляций нейтрино от Солнца. Правда, в этом случае сам феномен дефицита солнечных нейтрино был обнаружен еще при жизни Бруно. Однако опыты для полного объяснения причин этого эффекта были сделаны значительно позже.

37. Солнечные нейтрино

Мы все живем под непрерывным нейтринным дождем. Через каждый сантиметр нашего тела проходит в секунду 60 миллиардов нейтрино от Солнца и миллион геонейтрино от распадов радиоактивных элементов в нашей Земле. Благодаря уникально слабому взаимодействию нейтрино с веществом весь этот нейтринный поток никак не влияет на наш организм.

В основном эти нейтрино рождены в ядерных реакциях, которые постоянно происходят на Солнце. В ходе этих реакций водород перегорает в 4Не. Схематично цепочку реакций можно записать так:

Все живое на Земле должно быть благодарно этой реакции, поскольку 24,7 МэВ, которые выделяются при каждом слиянии четырех протонов в гелий, и составляют энергетическую основу нашей земной жизни. Важнейшая особенность этой реакции состоит в том, что она происходит за счет слабого взаимодействия, то есть имеет очень малую вероятность. Водород превращается в гелий очень медленно, и это обеспечивает нам долгую жизнь Солнца.

Понтекорво, как мы знаем, еще в конце 40-х годов в Канаде пытался детектировать солнечные нейтрино. Для этого он придумал хлор-аргонный метод детектирования нейтрино. Однако воплотить эту идею в реальность – сделать экспериментальную установку и увидеть в ней взаимодействия нейтрино – довелось не ему, а Раймонду Дэвису из Брукхейвенской национальной лаборатории США.

В 1964 году Раймонд Дэвис и Джон Бакал опубликовали в Physical Review Letters две идущие друг за другом статьи о необходимости и возможности построить детектор из 400 000 литров перхлорэтилена для измерения потока солнечных нейтрино. Предполагалось использовать хлор-аргонный метод регистрации нейтрино. В 1965 г. всего лишь за 600 тыс. долларов было отстроено помещение в шахте Хоумстейк (Южная Дакота) и размещена экспериментальная аппаратура. Первые результаты были опубликованы в 1968 г. и опять в двух связанных друг с другом работах: группа Дэвиса представляла экспериментальные результаты, а Джон Бакал – теоретические расчеты. Основной вывод состоял в том, что наблюдается почти в три раза меньший поток нейтрино, чем предсказывала теория.

Однако поначалу никто в этот результат, который потом принес Дэвису Нобелевскую премию, особо не верил и не беспокоился. Дело в том, что теоретическое предсказание потока солнечных нейтрино сильно зависело от параметров модели Солнца, которые в ту пору были плохо известны. Да и статистика в эксперименте Дэвиса была, мягко говоря, не очень большой. Судите сами: в год установка Дэвиса регистрировала всего лишь порядка 100–150 атомов аргона-37.

Мы говорили, что Бруно еще до получения первых данных Дэвиса предсказывал уменьшение потока нейтрино от Солнца за счет осцилляций в работе [111]. Более подробно он разбирал эту возможность в работе 1969 г. с В. Грибовым [112]. Однако реакция на это оригинальное объяснение уменьшения потока солнечных нейтрино в первое время тоже была нулевой. Осцилляции нейтрино все еще считались «из области научной фантастики».

Как писали впоследствии Дэвис и Бакал [119]: «В это объяснение, которое сегодня стало общепризнанным, не верил практически никто из физиков, с кем мы обсуждали этот феномен в то время».

Затем, в течение почти 25 лет (!), Дэвис улучшал статистику, а Бакал – ликвидировал теоретические неопределенности. Причем в первые 20 лет эксперимент Дэвиса был единственным, где регистрировались солнечные нейтрино. Однако в конце 80-х годов в существование проблемы поверили и другие физики.

В 1963 г. В. А. Кузьмин из Института ядерных проблем в Троицке предложил использовать для проверки парадокса солнечных нейтрино детектор из галлия – редкого металла с температурой плавления 30 градусов. Особая роль галлия заключалась в аномально низком энергетическом пороге реакции

Дело в том, что хлор-аргоновый метод был чувствителен только к небольшой части спектра солнечных нейтрино. Поэтому всегда оставались сомнения, является ли дефицит солнечных нейтрино общим явлением. Однако результаты экспериментов с галлием, проведенных в Баксанской лаборатории, а также в итальянской подземной лаборатории в Гран-Сассо, подтвердили существование такого же дефицита солнечных нейтрино, как и в опытах по хлор-аргоновой методике.

Измерения, выполненные на детекторе «Супер-Камиоканде», также обнаружили недостаток солнечных нейтрино. Было предложено множество объяснений, почему не хватает нейтрино, но точку в потоке гипотез поставили опыты группы SNO (Sudbury Neutrino Observatory) в Канаде. Они полностью подтвердили именно идею Понтекорво об осцилляциях как причину недостатка солнечных нейтрино.

Детектор SNO представлял собой 1000 тонн сверхчистой тяжелой воды D2O, окруженной водным слоем для подавления фона. Установка была по частям собрана в бывшей никелевой шахте на глубине 2 км. Основной фон для эксперимента должна была давать естественная радиоактивность. Поэтому были предприняты особые меры, чтобы свести к минимуму радиоактивное загрязнение. Все рабочие перед спуском в шахту принимали душ и надевали чистые безворсовые комбинезоны. Руководитель коллаборации Артур Макдональд с гордостью приводит число душевых процедур, понадобившихся для сборки установки, – 70 тысяч!

Тяжелая вода была заключена в акриловую сферу диаметром 12 м, которую просматривали 9500 фотоумножителей. Этот шар был, в свою очередь, помещен в резервуар со сверхчистой водой размером с десятиэтажный дом (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/23). Вода должна подавлять радиационный фон от распадов урана и тория в окружающей горной породе.

В дейтериевой сфере под действием