Рэй Джаявардхана - Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей

• Название: Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей
• Автор: Рэй Джаявардхана
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-9614-3078-3

Эта книга – захватывающий триллер, где действующие лица – охотники-ученые и ускользающие нейтрино. Крошечные частички, которые мы называем нейтрино, дают ответ на глобальные вопросы: почему так сложно обнаружить антиматерию, как взрываются звезды, превращаясь в сверхновые, что происходило во Вселенной в первые секунды ее жизни и даже что происходит в недрах нашей планеты? Книга известного астрофизика Рэя Джаявардхана посвящена не только истории исследований нейтрино. Она увлекательно рассказывает о людях, которые раздвигают горизонты человеческих знаний. Читатель познакомится с проницательным теоретиком Вольфгангом Паули, беспокойным гением Этторе Майораном, предвестником атомного века Энрико Ферми, самоотверженными Мари и Пьером Кюри, романтичным Бруно Понтекорво, который рискнул перебраться в СССР во времена холодной войны; узнает, почему в следующем десятилетии нейтрино изменит наши представления о физике, космологии и жизни на Земле.

---

Однако их безрадостные вычисления не смутили отважных охотников за нейтрино. В Кембриджском университете Джеймс Чедвик и Дэвид Ли попытались измерить проникающую способность нейтрино, устанавливая свинцовые пластины различной толщины между образцом радия и детектором. Исследователи полагали, что свинец должен замедлять нейтрино, в результате чего эти неуловимые частицы будет проще заметить. Правда, опыты показали, что нейтрино может пролететь по воздуху более 140 км, не задев ни одного атома. В следующем году британский физик Морис Намиас поставил еще более тонкий эксперимент, надеясь поймать нейтрино. Он установил свой прибор на станции Holborn в лондонском метро (примерно 30 м под землей), чтобы ослабить нежелательное фоновое излучение от высокоэнергетических частиц, прилетающих из космоса. Но ему также не удалось поймать нейтрино. Согласно измерениям Намиаса образующиеся при бета-распаде нейтрино вполне могут проскочить насквозь через весь земной шар. Более того, эксперимент Намиаса в метро стал лишь предвестником разработок ближайшего будущего. Сегодня нейтринные детекторы развертывают именно под землей, чтобы минимизировать помехи, вызываемые фоновым излучением, такая практика в физике частиц стала общепринятой.

Нейтрино все более напоминали какой-то полтергейст, казались таинственными фантомами, крадущими энергию при бета-распаде, но более никак себя не проявляющими. Поскольку нейтрино, в отличие от протона или электрона, не имеют электрического заряда, их нельзя отследить при помощи электромагнитных устройств. Они также не участвуют в сильном взаимодействии, а вероятность того, что нейтрино вступит в контакт с ядром атома (поучаствует в слабом взаимодействии), крайне мала.

В результате таких безрадостных теоретических оценок и провала различных экспериментов все громче звучали голоса скептиков, полагавших, что нейтрино вряд ли вообще будут когда-нибудь обнаружены. Среди этих скептиков был и нобелевский лауреат Поль Дирак, предсказавший существование антивещества (антиматерии) – об этом мы поговорим в главе 7. Поначалу Дирак очень заинтересовался нейтрино, а в 1934 г. даже разрекламировал теорию Ферми в письме одному из коллег. Среди прочего он отмечал: «Вероятно, лишь с помощью нейтрино можно объяснить наблюдаемые потери энергии, и до выяснения каких-либо новых обстоятельств отвергать эти частицы не следует». Всего через два года Дирак значительно изменил свое мнение, отказываясь обсуждать нейтрино и называя их «ненаблюдаемыми частицами».

К концу 1930-х и другие ученые разделяли сомнения Дирака относительно нейтринной гипотезы Паули. Британский астроном Артур Эддингтон – знаменитый популяризатор науки, а также автор эксперимента, подтвердившего на практике теорию относительности, – хорошо передал этот скепсис, когда в своей книге «Философия физической науки» (The Philosophy of Physical Science) писал следующее: «В настоящее время физики-ядерщики много пишут о гипотетических частицах, называемых “нейтрино”, стремясь таким образом объяснить некоторые неясные факты, наблюдаемые при бета-распаде… Я не слишком высокого мнения о теории нейтрино. Можно сказать, я просто не верю в существование этих частиц… Осмелюсь утверждать, что у физиков-экспериментаторов наверняка хватило бы изобретательности, чтобы получить эти нейтрино». Правда, он не исключал возможности существования нейтрино, добавляя: «Что бы я ни думал, не хочу устраивать никаких пари о мастерстве экспериментаторов, тем более что такое пари можно было бы трактовать как спор об истинности самой теории. Если кому-нибудь удастся получить нейтрино и, более того, найти для них практическое применение, то, полагаю, мне придется поверить в эти частицы – хотя читатель и может упрекнуть меня в лукавстве».

По иронии судьбы именно Паули поспорил на бутылку шампанского, что никому не удастся экспериментально обнаружить нейтрино. Возможно, он сомневался в реальности той частицы-полтергейста, которую сам же и придумал. Может быть, он думал, что скепсис относительно собственного умственного конструкта – хороший способ защититься от критики. Как бы то ни было, шампанское Паули оставалось невостребованным в течение ближайшей четверти века, когда все физические исследования в Европе и Северной Америке были продиктованы Второй мировой войной и ее последствиями. Военные разработки, связанные с укрощением энергии атомного ядра, привели к созданию не только самого смертоносного оружия в истории человечества, но и новых источников бесчисленных нейтрино.

Глава 3 Погоня за призраком

Следующая глава саги о нейтрино была непосредственно связана с покорением энергии атома во время Второй мировой войны и в последующие годы. Еще в 1938 г. два немецких химика, Отто Ган и Фриц Штрассман, обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами образуется гораздо более легкий элемент – барий. Их бывшая коллега Лиза Мейтнер и ее племянник Отто Фриш к тому времени уже эмигрировали в Скандинавию, так как в Германии нацисты преследовали ученых еврейского происхождения. Мейтнер и Фриш пришли к верному выводу, что такое превращение происходит в результате расщепления тяжелого ядра урана. Этот процесс они назвали «делением» ядра, по аналогии с биологическим термином «деление клетки». В статье, опубликованной в журнале Nature, они писали: «Представляется вероятным, что ядро урана является очень нестабильным и после захвата нейтрона может разделиться на два ядра примерно равного размера». Еще до того, как статья появилась в печати, Нильс Бор уже сообщил об этом открытии американским коллегам. Энрико Ферми и другие решили сами поэкспериментировать с делением урана. На горизонте замаячил призрак атомной бомбы.

Вскоре ряд видных ученых стал предупреждать страны антигитлеровской коалиции о том, насколько опасной станет нацистская Германия, если обретет ядерное оружие. Исследования были продиктованы страхом: ведь та из сторон, которая смогла бы первой высвободить энергию атомного ядра, получила бы подавляющее преимущество над другой державой. По настоянию нескольких коллег Альберт Эйнштейн написал президенту Франклину Рузвельту знаменитое письмо, в котором указывал: «…стала вероятной возможность ядерной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть освобождена значительная энергия и получены большие количества радиоактивных элементов. Можно считать почти достоверным, что это будет достигнуто в ближайшем будущем. Это новое явление способно привести также к созданию бомб…» Он убеждал президента в необходимости наладить поставки урановой руды, указывая, что Германия уже предпринимает подобные шаги, а также активизировать контакты с физиками-ядерщиками, чтобы быть в курсе новейших исследований и их результатов.

Бруно Понтекорво

(AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection)

В 1943 г. правительство США при поддержке Канады и Великобритании запустило сверхсекретную программу «Манхэттенский проект». К этому проекту были привлечены многие ведущие физики-теоретики и инженеры-экспериментаторы; цель исследований заключалась в получении управляемых цепных ядерных реакций и в конструировании атомных бомб. Однако Вольфганг Паули, который в тот период вместе с Эйнштейном работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, не был приглашен к участию в проекте, поскольку официально являлся гражданином Германии. В 1938 г. Германия аннексировала Австрию, а Паули не позаботился о том, чтобы приобрести гражданство Швейцарии. В штате Нью-Мексико была создана новая секретная лаборатория Лос-Аламос, где физики занимались проектированием, сборкой и испытаниями нового оружия. Другие исследовательские группы в разных уголках США наладили обогащение урана и производство плутония – топлива для атомных бомб. Сначала проект был довольно скромным, но к концу работ к нему подключилось более 100 000 человек. Ученые из Лос-Аламоса взорвали первый ядерный заряд, носивший кодовое название «The gadget»[16], на 30-метровой вышке в пустыне на территории штата Нью-Мексико 16 июля 1945 г. Ученые, наблюдавшие за испытанием, лицезрели поднявшееся до небес пылающее облако, напоминавшее по форме гриб, ощутили рокот ударной волны, прокатившейся над командным центром. Они осознали, насколько разрушительное оружие создали, и некоторые даже раскаялись в том, что принимали участие в разработке атомной бомбы. Через считаные недели ВВС США сбросили две атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки. Атомные взрывы вызвали массовые жертвы и чудовищные разрушения, а также приблизили окончание войны[17]. В дальнейшем США и другие державы провели множество ядерных испытаний, сконструировав еще более мощные бомбы.