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

В 1933 г. Паули познакомился с Франциской Бертрам – образованной молодой немкой, которая уже успела объездить весь мир, а на тот момент работала антрепренером русского оркестра в Цюрихе. В следующем году Вольфганг и Франциска поженились и прожили в этом браке всю жизнь. Франциска скептически относилась к психоанализу, поэтому вскоре после свадьбы Паули прекратил консультации с Юнгом. Но переписка между двумя учеными продолжалась еще не одно десятилетие; и тот и другой интересовались не только психологией, но также и мистицизмом, и нумерологией. Юнг использовал калейдоскоп сновидений Паули в качестве материала для своих работ и лекций, тщательно скрывая личность пациента, ставшего ему другом. Вероятно, при жизни Паули многие его коллеги-физики даже не подозревали об этой примечательной дружбе. Учитывая, какие серьезные личные неурядицы Паули пережил в этот период, стоит ли удивляться, что много лет спустя он называл нейтрино «глупое дитя моего жизненного кризиса».

Ферми, вернувшись в Рим после встречи с Паули, продолжал размышлять над тайной бета-распада. Осенью 1933 г. он побывал в Брюсселе на крупной научной конференции, посвященной природе атомного ядра, и на этом мероприятии бета-распад вновь стал ключевым вопросом обсуждения. Через несколько месяцев после конференции Ферми сумел сформулировать четкое математическое описание бета-распада в контексте квантовой механики. Выстраивая свою теорию, Ферми исходил из того, что ядро атома состоит из тяжелых элементарных частиц – протонов и нейтронов, о чем ранее писал Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой механики. По мысли Ферми, при бета-распаде нейтрон превращается в протон, но остается в ядре, тогда как из атома вылетает один электрон и один нейтрино – об этом догадывался Паули. Ферми четко указал, что нейтрино не присутствует в ядре изначально, а возникает в момент бета-распада. Он сравнил результаты своих теоретических вычислений с экспериментальными данными и пришел к выводу, что «масса нейтрино либо равна нулю, либо исключительно мала по сравнению с массой электрона».

Более того, теория Ферми предвосхитила открытие новой фундаментальной силы природы, которую мы сегодня называем «слабое взаимодействие»; эта сила действует только в субатомном мире. Два из четырех известных фундаментальных взаимодействий – гравитация и электромагнетизм – действуют на сравнительно больших расстояниях, поэтому знакомы нам из повседневного опыта. Например, мы ощущаем гравитацию (притяжение Земли), когда поднимаем что-нибудь тяжелое, а магнетизм – когда чувствуем притяжение магнита на дверце холодильника. Два других взаимодействия – сильное и слабое – действуют лишь на крохотных расстояниях внутри атома. Сильное взаимодействие связывает протоны и нейтроны, удерживая их в атомном ядре. Слабое взаимодействие влияет на различные процессы, связанные с радиоактивностью, – в частности, бета-распад.

Ферми отправил свою статью о теории бета-распада в журнал Nature в 1934 г. Правда, редколлегию журнала работа не впечатлила; это незаурядное сочинение было отклонено с формулировкой «содержит слишком отвлеченные нереалистичные рассуждения, которые вряд ли заинтересуют читателя». Но Ферми не сдавался и послал статью в еще два научных журнала. Один из этих журналов был итальянским; дело в том, что фашистское правительство Муссолини требовало активнее публиковать научные работы на итальянском языке. Второй журнал был немецким; Ферми рассчитывал, что на его страницах со статьей смогут ознакомиться ученые из других стран. Оба журнала опубликовали работу Ферми. Статья подтвердила репутацию Ферми как великого теоретика, способного масштабно мыслить, и по сей день считается классикой физической науки. Кристина Саттон в своей книге «Космический корабль нейтрино» (Spaceship Neutrino) красноречиво выразилась об этой статье следующим образом: «Если письмо Паули, адресованное “радиоактивным дамам и господам”, можно сравнить с зачатием нейтрино, то статья Ферми возвестила о рождении новой частицы». Однако сохранялась ключевая проблема: никто понятия не имел, как обнаружить эту неуловимую малышку.

Позже Ферми переключился на эксперименты, связанные с искусственной радиоактивностью[15], стремясь лучше понять феномен трансформации ядер. К тому времени Ирен Жолио-Кюри, дочь Марии Кюри, вместе со своим мужем Фредериком Жолио продемонстрировала, что при бомбардировке некоторых ядер альфа-частицами возникают новые радиоактивные изотопы, которые впоследствии распадаются. Хотя Ирен и Фредерик не представляли, как превратить свинец в золото (да и не ставили перед собой такой цели), можно сказать, что в какой-то степени эти ученые воплотили мечты древних алхимиков, желавших превращать обычные металлы в редкие и ценные.

В то время как супруги Жолио-Кюри использовали в качестве «снарядов» альфа-частицы, Ферми попробовал в этом качестве нейтроны. Он установил, что сравнительно медленные нейтроны особенно эффективны при синтезе радиоактивных продуктов. По легенде Ферми догадался использовать нейтроны, так как заметил, что в экспериментах достигается гораздо более высокая радиоактивность, если лабораторные препараты стоят на деревянной столешнице, а не на мраморной. Коллеги Ферми были озадачены подобной разницей, однако сам Энрико понял, что атомы дерева просто замедляют нейтроны. Другие ученые, основываясь на этой находке Ферми, пробовали бомбардировать уран медленными нейтронами. В 1938 г. немецким физикам удалось расщепить ядро урана примерно пополам, сделав первый шаг к высвобождению колоссальной энергии, заключенной в атомном ядре.

В том же году Ферми получил Нобелевскую премию по физике за свои исследования медленных нейтронов. Отправляясь в Стокгольм на церемонию вручения награды, Ферми смог вывезти из Италии жену-еврейку и двоих детей, поскольку там уже разгорался антисемитизм. Позже вся семья перебралась в США. Проработав несколько лет в Колумбийском университете в Нью-Йорке, Ферми перешел на работу в университет Чикаго. В 1942 г. именно там, в реакторе под университетским стадионом, произошло историческое событие: группа физиков под руководством Ферми впервые осуществила управляемую цепную реакцию, совершив важный шаг к приручению атомной энергии. Один из коллег Ферми позвонил в Вашингтон и сообщил об этом успехе Джеймсу Конанту, руководителю Национального комитета оборонных исследований. Он выразился завуалированно: «Вам будет наверняка интересно узнать, что наш итальянский штурман только что привел нас в новый мир». Конант ответил: «Как нас встретили аборигены?» Ответ был: «Очень тепло». Работа Ферми в Чикаго заложила основы для создания атомных бомб, ядерных реакторов и, наконец, для экспериментального открытия нейтрино.

Тем временем европейские физики не забыли великолепную статью Ферми о бета-распаде, пусть многие из них в тот период и работали над другими проблемами. На самом деле эта статья стимулировала как теоретиков, так и практиков размышлять о том, как отловить призрачные нейтрино. Два немецких физика – Ханс Бете и Рудольф Пайерлс – придумали интересный вариант достижения этой цели. Поскольку нейтрино выделяются при бета-распаде, нельзя ли поймать их в ходе обратного процесса – по аналогии с фотонами, которые способны как порождаться, так и поглощаться атомами? Бете и Пайерлс установили, что вероятность поглощения нейтрино атомом просто ничтожна. Теоретики составили краткую заметку в журнал Nature, где отмечали, что наблюдать нейтрино «практически невозможно».