Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

нейтрино, оставшихся от Большого взрыва. В каждой чашке кофе-эспрессо (точнее, в кубическом сантиметре) находится порядка 300 реликтовых нейтрино с крошечной энергией ∼10-4 эВ. В этом смысле «нейтринное море» во Вселенной действительно существует.

Удивительно, что Бруно обсуждал этот вопрос задолго до обнаружения в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном реликтового теплового излучения, природа которого точно такая же, как и у реликтовых нейтрино. Пензиас и Вильсон увидели, что со всех сторон к нам приходят фотоны с характерным спектром излучения черного тела с температурой 2,725 кельвина. Изотропность реликтового излучения очень высока ∼10-5. Этот свет, не связанный ни с какими звездами, достался нам от ранней Вселенной, которая представляла собой горячую плазму из электронов, барионов и фотонов. Примерно через 380 000 лет после начала расширения температура Вселенной уменьшилась настолько, что электроны с протонами смогли образовать нейтральные атомы, а энергии фотонов перестало хватать для того, чтобы эти атомы развалить. Вселенная стала прозрачной для излучения, которое начало свободно распространяться, теряя энергию по мере расширения. Точно такой же процесс происходил и с нейтрино, с той разницей, что для нейтрино Вселенная стала прозрачной гораздо раньше, чем для фотонов. Плотность реликтовых нейтрино несколько меньше, чем реликтовых фотонов, однако она на фактор 1010 превосходит плотность частиц обычного вещества, из которых состоит все окружающее нас великолепие. Поэтому среди элементарных частиц, обладающих массой, нейтрино – самая распространенная во Вселенной.

Благодаря своей уникальной проникающей способности нейтрино является идеальным мессенджером о процессах, происходящих во Вселенной. Бруно сделал много для того, чтобы мы лучше понимали, как выглядит небо в «нейтринном свете». В 1959 г. он написал важную статью о роли взаимодействия нейтрино с электронами для эволюции звезд [126]. В ней он показал, что на определенной стадии эволюции звезды, когда ее температура и плотность достигают больших значений, интенсивность нейтринного потока возрастает настолько, что энергия, уносимая нейтрино, будет превосходить потери энергии звезды в оптическом диапазоне. Поэтому вспышки сверхновых должны сопровождаться гигантским всплеском нейтринного излучения.

Это предсказание Понтекорво нашло свое подтверждение 23 февраля 1987 г., когда практически одновременно детекторы Баксанской подземной лаборатории, LSD под Монбланом, IBM в США и «Камиоканде» в Японии зарегистрировали всплеск событий от нейтрино. По расчетам, это был сигнал от мощного импульса в 1058 нейтрино, которые образовались при вспышке сверхновой, расположенной в карликовой галактике на окраине Млечного пути на расстоянии 170 000 световых лет от Земли. Примечательно, что всего было зарегистрировано 24 нейтринных события, однако синхронность их прихода в разные детекторы не вызывала сомнений для интерпретации этого явления. К тому же установка «Камиоканде» смогла восстановить координаты участка неба, откуда пришел нейтринный импульс. Они совпали с координатами световой вспышки. По свидетельству Мафаи [6], Бруно был исключительно обрадован этому подарку природы.

В 1963 г. Бруно суммирует интересные задачи нейтринной астрономии в обзоре [127] под названием «Нейтрино и его роль в астрофизике». Отдельная глава обзора носит название «Экспериментальная нейтринная астрономия». Чтобы писать об этом в 1963 г., когда даже опыты Дэвиса еще не были начаты, нужны были большая смелость и фантазия. Бруно отмечает:

«После того как будут зарегистрированы нейтринные потоки от Солнца, необходимо будет сделать следующий шаг – измерить потоки от космического пространства и от отдельных галактик. Для этого необходимо увеличить чувствительность современных методов регистрации в миллион раз».

Казалось бы, увеличение чувствительности в миллион раз – это чистая маниловщина. Но сейчас это все реализовано. Программа исследований, которую Понтекорво начертал в 1963 г., сегодня осуществляется на гигантских экспериментальных установках, которые расположены в таких экзотических местах, как Антарктида или озеро Байкал. Бруно способствовал осуществлению первых шагов по развитию экспериментальной нейтринной астрономии. Он стоял у истоков создания в Баксанском ущелье Приэльбрусья подземной лаборатории для регистрации нейтрино (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/24).

В 1963 г. М. В. Келдыш подписал постановление Президиума Академии наук о создании подземной нейтринной лаборатории. Директором был назначен Г. Т. Зацепин. В постановлении отмечалось: «считать целесообразным привлечь к руководству исследованиями в области нейтринной физики члена-корр. АН СССР Б. М. Понтекорво и члена-корр. АН СССР М. А. Маркова» [77].

В архиве Бруно сохранился документ под названием «Основные физические задачи нейтринной станции ФИАН». Просили на пятилетку 5 млн рублей. Предлагалось регистрировать нейтрино от Солнца радиохимическими методами и регистрировать высокоэнергетические мюоны. Планировалось также использовать станцию для низкофоновых экспериментов. Уже тогда Бруно предлагал начать с хлор-аргонового метода регистрации солнечных нейтрино и продолжить затем эксперименты с галлием.

39. Нейтрино на ускорителях

Совершенно замечательную историю про Бруно рассказывал нам, студентам кафедры элементарных частиц МГУ, А. А. Тяпкин. Он читал курс по статистике и ошибкам эксперимента. Его подход был очень своеобразен: за первые две лекции он не написал на доске ни одной формулы и только с увлечением рассказывал про типичные ошибки и разные казусы из жизни экспериментаторов. Мы, глупые студенты, не привыкли к такому стилю изложения, и на третьей лекции староста группы деликатно посетовал лектору, что он нам мало формул пишет. Алексей Алексеевич страшно (и справедливо) возмутился: формулы – стандартные, можно найти в любом учебнике, а рассказ о реальных проблемах – бесценен. После чего написал на доске формулу гауссова распределения и продолжил рассказ об ошибках экспериментаторов:

Было это в начале 60-х годов. Уже был построен синхрофазотрон ОИЯИ на энергию 10 ГэВ. И тут Померанчук, Кобзарев и Окунь выпустили статью о возможности нового «сверхсильного» слабого взаимодействия, которое объясняло бы большую массу мюона по сравнению с электроном. Если бы такое взаимодействие действительно существовало, то открывалась возможность зарегистрировать мюонное нейтрино в эксперименте на ускорителе за счет регистрации реакции

Обычное слабое взаимодействие давало слишком малое сечение для этого процесса. На тогдашнем пучке синхрофазотрона с небольшой интенсивностью наблюдать его было невозможно. Но если в природе действительно существует новое «сверхсильное» слабое взаимодействие, то такой эффект становился наблюдаемым. Причем тогда это был бы первый опыт в истории по регистрации нейтрино на ускорителе. Более того, все эксперименты с нейтрино до этого относились к процессам заряженного тока, а реакция (45) – это слабый нейтральный ток, который будет открыт в ЦЕРН только четырнадцать лет спустя.

Бруно рассказал о возможности существования «сверхсильного» слабого взаимодействия А. А. Тяпкину (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/25). Алексей Алексеевич пошел к В. И. Векслеру, который был тогда директором Лаборатории высоких энергий ОИЯИ, пробивать эксперимент. Основная идея была проста: импульсный пучок протонов бьет по мишени, а экспериментальная установка, надежно экранированная и расположенная в отдаленном месте, должна зарегистрировать всплеск сигналов, совпадающих с «плевком» протонов из ускорителя. Поскольку из всех частиц нейтрино обладают самой большой проникающей способностью, только они могли быть ответственны за такой сигнал.

Векслер идею поддержал и сам принял активное участие в эксперименте [91]. Домик экспериментатора был сделан из металла неиспользованных магнитов и обложен бетонной защитой. Установили внутри детектирующую систему из счетчиков Гейгера. Подали пучок на мишень. Стопроцентная корреляция! Как только пучок бьет в