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

Проект предполагал, что детектор Рейнеса и Коуэна в течение нескольких секунд сможет свободно падать в вакууме, образующемся во время распространения ударной волны. Затем сосуд мягко приземлится (у основания он снабжался толстой подушкой из поролона и пуха), а датчики зарегистрируют позитроны, излучаемые продуктами ядерного взрыва, когда в небо будет подниматься огненный гриб. Позже Коуэн составил отчет, в котором изложил их план по сбору данных после экспериментального взрыва: «Мы вернемся к шахте через несколько дней (когда поверхностная радиоактивность существенно спадет), выкопаем резервуар, достанем детектор и узнаем всю правду о нейтрино». Конечно, сегодня такая схема может показаться странной, но конструкция действительно была многообещающей, и директор лаборатории Лос-Аламос дал добро на это испытание. По воспоминаниям Рейнеса, в те годы процесс утверждения таких испытаний был незамысловат. «Жизнь тогда была проще – никаких длительных процедур рассмотрения и заумных экспертных комитетов».

Когда Рейнес и Коуэн нашли место для испытания, поручили рабочим готовить скважину и приступили к сборке детектора, их коллега Ханс Бете поинтересовался, каким образом молодые люди собираются отличать подлинные нейтрино от прочего излучения, образующегося при атомном взрыве. В поисках ответа на этот вопрос Рейнес и Коуэн смогли придумать еще более замечательный эксперимент: они решили воспользоваться в качестве источника нейтрино не атомной бомбой, а управляемым ядерным реактором. Конечно, реактор выдает за секунду гораздо меньше нейтрино, чем атомный взрыв, но количество этих частиц все равно исчисляется триллионами на квадратный сантиметр. Физики сочли, что для обнаружения нейтрино этого более чем достаточно. Действительно, требовалось подыскать надежный способ, который позволял бы отличать возникновение нейтрино от посторонних «фоновых» событий – например, от воздействия космических лучей. Рейнес и Коуэн поняли, что смогут не только зафиксировать позитрон, но и измерить свойства нейтрона, образующегося при контакте нейтрино с материей. Они знали, что позитрон столкнется с электроном в сцинтиллирующей жидкости, что практически мгновенно приведет к аннигиляции обеих частиц и даст вспышку гамма-лучей, которые зафиксируют ФЭУ. Нейтрон, в свою очередь, проскочит через жидкости по ломаной траектории, наталкиваясь на другие частицы, как пьяница в толпе. При соударении со все новыми ядрами нейтрон будет постепенно терять энергию, пока наконец не будет поглощен другим ядром. Ядро, захватившее нейтрон, избавится от избыточной энергии в виде гамма-излучения. Рейнес и Коуэн знали, что такое блуждание нейтрона обычно продолжается в течение 5 микросекунд. Таким образом, можно было отслеживать временную разбежку между двумя выбросами гамма-излучения, первый из которых вызван аннигиляцией позитрона, а второй – поглощением нейтрона. Если бы в эксперименте удалось зафиксировать такую разницу, равную точно 5 микросекундам, то это был бы несомненный признак возникновения нейтрино. В таком случае все остальные вспышки, зафиксированные детектором, Рейнес и Коуэн списали бы на обычные фоновые помехи.

Разумеется, этот новый план был гораздо практичнее и безопаснее, чем опыт с атомным взрывом. По-видимому, американские физики просто не знали об идее Понтекорво, предлагавшего использовать ядерный реактор в качестве источника нейтрино, либо забыли об этом дельном предложении. Рейнес и Коуэн изложили свой новый план поимки «скользкой частицы» в письме, адресованном Ферми. В конце концов они могли не опасаться, что кто-нибудь поймает нейтрино раньше них, так как, по замечанию Рейнеса, «в 1952 г. охота на нейтрино мало кого интересовала». Ферми одобрил их усовершенствованную стратегию: «Очевидно, описанный вами новый метод должен быть гораздо проще в реализации, а также обладает еще одним важнейшим преимуществом: измерения можно проводить столько раз, сколько потребуется».

Воодушевившись поддержкой Ферми, Рейнес и Коуэн с новыми силами взялись за дело. В 1953 г. они изготовили цилиндрический бак, вмещавший 300 л сцинтиллирующей жидкости. На стенках резервуара было установлено 90 ФЭУ. Бак был в три слоя покрыт парафином, бурой и свинцом; эти вещества экранировали рассеянные нейтроны и гамма-лучи, исходившие от реактора. Эксперимент был назван «Проект Полтергейст», так как слово «полтергейст» весьма точно характеризовало вожделенную частицу. Детектор был установлен поблизости от ядерного реактора, расположенного в городе Хэнфорд, штат Вашингтон; реактор был построен еще в годы войны и использовался для производства плутония, которым заряжали атомные бомбы. Спустя много лет Рейнес вспоминал, какое возбуждение и какую огромную усталость испытывал на заключительном этапе охоты: «В эти дни, проведенные в Хэнфорде, мы усердно работали, но в то же время теряли последние силы. На протяжении нескольких месяцев мы устанавливали и переустанавливали целые тонны свинцовых и борно-парафиновых экранирующих слоев. Работали круглыми сутками, множество хлопот возникало с грязными сцинтилляционными трубками…»

Первые признаки нейтринных сигналов удалось зафиксировать спустя несколько месяцев. Сигналы были не столь четкими, как надеялись Рейнес и Коуэн, однако их детектор регистрировал нейтрино, даже когда реактор не работал. Оказалось, что космические лучи могут давать характерные двойные вспышки, совершенно неотличимые от тех, которые ожидалось получать от взаимодействия нейтрино с материей. Однако ученые заметили, что частота таких вспышек явно возрастала при включенном реакторе, поэтому надеялись, что хотя бы некоторые из этих вспышек были вызваны нейтрино. В краткой заметке, опубликованной в журнале Physical Review, они осторожно характеризовали полученные результаты так: «Представляется вероятным, что цель [обнаружения нейтрино] достигнута, хотя необходимо провести дополнительную работу, которая бы подтвердила эту гипотезу». Позже Коуэн описывал эту ситуацию более образно: «Мы чувствовали, что вот-вот ухватим нейтрино за хвост, но к делу имеющиеся доказательства не пришьешь».

Несмотря на очень осторожный тон заметки, новости о результатах исследований просочились в СМИ. В газете The New York Times вышла статья «Команде атомщиков удалось наблюдать призрачную частицу». Журналы Scientific American и Time также опубликовали материалы на эту тему, а в пресс-релизе от организации Science Service даже делались громкие заявления, что вскоре придется переписывать учебники, так как «таинственный полтергейст современной физики наконец пойман». Когда эту новость узнал Вольфганг Паули, в те годы вновь обосновавшийся в Цюрихе, он в компании близких друзей не мешкая отправился на одну из окрестных гор, откуда открывался прекрасный вид на город, и там они устроили праздничный обед. Говорят, что позже в тот вечер ликующий Паули спускался с горы, слегка пошатываясь.

Но Рейнес и Коуэн, отличавшиеся научной въедливостью, не удовлетворились таким результатом, который был в лучшем случае предварительным. Они решили провести следующий, более выверенный эксперимент, поместив датчик рядом с новым реактором, установленным в районе Саванна-Ривер на территории штата Южная Каролина. Этот реактор был гораздо мощнее хэнфордского. Заручившись помощью нескольких коллег, они до основания переработали план эксперимента, чтобы отличать сигналы истинных нейтрино от ложных сигналов, вызванных частицами космических лучей. Кроме того, для эксперимента было подготовлено сразу несколько резервуаров со сцинтиллирующими жидкостями. Новая установка, сборка которой завершилась в конце 1955 г., весила около 10 т. Аппарат устанавливался в фундаменте здания прямо под ядерным реактором, был экранирован не только от космических лучей, но и от нейтронов, образующихся в реакторе. За несколько месяцев работы ученые записали сотни часов данных, для сравнения – при включенном и при выключенном реакторе. При включенном реакторе установка фиксировала впятеро больше пар вспышек, разделенных интервалом несколько микросекунд, чем при выключенном. К лету 1956 г., после многочисленных анализов и проверок, все члены команды уже были убеждены, что им действительно удалось обнаружить нейтрино.