Атомный проект. Жизнь за «железным занавесом» - Бруно Понтекорво

Разумеется, многое из сказанного выше хотя и принципиально возможно, но пока очень далеко от практического осуществления. Однако некоторые вопросы могут быть решены в близком будущем. Сейчас мы остановимся именно на них. Речь будет идти о Солнце.

Несмотря на то, что вопрос об образовании нейтрино в звездах остается довольно неясным, все-таки кое-что об этом уже известно. Поток нейтрино от Солнца, например, теоретически вычислен. По порядку величины он равен 1010–1011 нейтрино в секунду на квадратный сантиметр поверхности Земли. Перенос энергии на поверхность Земли, связанный с потоком солнечных нейтрино, колоссален. Он составляет несколько процентов от общего солнечного излучения.

Так же определенно можно утверждать, что Солнце испускает именно нейтрино, а не антинейтрино. Это связано с типами ядерных реакций, которые могут происходить в звездах. Как известно, энергия Солнца и других звезд освобождается в так называемых водородных и углеродных циклах, в которых водород превращается в гелий. При этом в виде нейтрино излучается около 5 процентов энергии Солнца.

Первостепенный теоретический интерес имеет вопрос, какие именно ядерные реакции происходят в центральной части Солнца?

Нейтрино образуются в разных ядерных реакциях прямым или косвенным образом, причем энергия испускаемых нейтрино зависит от процесса, в котором они родились. Последнее обстоятельство очень важно, так как мы видели, что вероятность взаимодействий (а значит, и возможность регистрации) нейтрино сильно зависит от энергии «неуловимых» частиц. Следовательно, число зарегистрированных нейтрино разных энергий будет давать сведения о том, какие реакции происходят в «глубинах» Солнца.

Кроме того, полное число нейтрино, излучаемых Солнцем, известно пока слишком грубо. Первоочередная задача экспериментальной нейтринной астрофизики — определить с достаточной точностью это число.

Но как можно это сделать?

Мы уже говорили, что каждый квадратный сантиметр поверхности Земли пронизывают ежесекундно десятки миллиардов нейтрино. Огромная величина! И хотя «поймать» даже столь густой поток «неуловимых» частиц все равно очень трудно, задача эта разрешима. Тут приходит на помощь уже знакомая нам реакция — взаимодействие нейтрино с атомным ядром хлора-37. В качестве «мишени» для нейтрино можно использовать несколько тысяч тонн четыреххлористого углерода — вещества дешевого и широко распространенного. Напомним, что реакция

ν + 37Cl → 37Аr + е−

характерна именно для нейтрино, а не для антинейтрино.

Состояние сегодняшней техники таково, что мы можем «ловить» нейтрино, имеющие энергию больше миллиона электронвольт, если поток частиц составляет не меньше 10 миллиардов штук в секунду через каждый квадратный сантиметр.

Нет сомнения в том, что первый шаг экспериментальной нейтринной астрофизики будет сделан в будущем именно при исследовании Солнца.

А теперь давайте пофантазируем — поговорим о менее реальных вещах. Я расскажу о некоторых принципиальных возможностях экспериментальной нейтринной астрофизики. Практические решения здесь еще очень далеки и, быть может, никогда не увидят свет.

После того как будут зарегистрированы нейтринные потоки от Солнца, необходимо будет сделать следующий шаг — измерить нейтринные потоки из космического пространства (мы уже видели, насколько важна эта задача) и от отдельных галактик. Для этого нужно увеличить чувствительность современных методов регистрации больше чем в миллион раз. Поэтому я не буду останавливаться подробно на этих вопросах, а проиллюстрирую только одну принципиальную возможность, которая открывается перед нейтринной астрофизикой. Это решение проблемы антимиров — миров, целиком построенных из античастиц.

Могут ли наблюдения с Земли сказать нам, существуют ли антимиры? Пусть мы видим какое-то небесное тело и хотим узнать, из вещества или из антивещества оно построено. Наблюдение света и вообще электромагнитных волн никак не может дать ответа на этот вопрос. Свет, испускаемый, скажем, атомом водорода, тождествен свету, испускаемому атомом антиводорода. Ведь фотоны — истинно нейтральные частицы: они не имеют никаких зарядов и не отличаются от своих античастиц.

А как обстоит дело с нейтринным излучением? Мы уже видели, что Солнце испускает нейтрино, а не антинейтрино. Это же относится и к любым звездам, где основной источник энергии — термоядерные реакции превращения водорода в гелий.

Теперь представьте себе «антисолнце», внутренние процессы которого аналогичны солнечным. Это значит, что источником энергии там служит превращение антиводорода в антигелий. Такие антисолнца дадут свет, неотличимый от света нашего Солнца. Однако они будут испускать антинейтрино, а не нейтрино. Можно представить себе, какие перспективы открываются перед нейтринной астрономией.

Правда, надо предостеречь вас от слишком оптимистического представления о возможности решения изложенных вопросов. Дело не только в том, что речь идет о крайне малой интенсивности нейтрино и антинейтрино. Самая большая трудность связана с тем, что неизвестно, как создать эффективный нейтринный телескоп.

Нейтринных линз нет. Для того чтобы утверждать, что нейтринное излучение приходит от определенного небесного тела, необходимо измерить угловое распределение продуктов расщепления, вызванных нейтрино. Но оказывается, что в случае нейтрино с энергией несколько миллионов электронвольт или меньше это угловое распределение по отношению к направлению падающего пучка очень нечувствительно. Эта трудность так велика, что неизвестно, будет ли задача когда-нибудь решена. Но сама принципиальная возможность ее решения достаточно интересна.

Задача построения нейтринного телескопа значительно упрощается для нейтрино высокой энергии, превышающей миллиард электронвольт. В таком случае заряженные продукты, образующиеся при взаимодействии нейтрино с ядрами, сохраняют направление налетающих нейтрино, а это позволяет создать телескоп для «неуловимых» частиц высоких энергий. Таким телескопом может служить установка, помещенная на большую глубину и регистрирующая мюоны, которые рождаются в реакциях типа

ν + ядро → µ + ядро

Подземная установка, по предположению М. А. Маркова, может выделять мюоны, образованные нейтрино, исходящими из нижней полусферы, т. е. проходящими сквозь всю Землю! Это возможно, конечно, так как длина свободного пробега нейтрино несравнимо больше диаметра Земли.

Подводя итоги, можно сказать, что существуют два аспекта физики нейтрино.

С одной стороны, исследование нейтрино как элементарной частицы имеет первостепенное значение для построения теории слабых взаимодействий элементарных частиц, почетным представителем которых нейтрино и является.

С другой стороны, нейтрино, без сомнения, играет важнейшую роль в астрофизике и, быть может, в космогонии. Экспериментальная нейтринная астрофизика — почти еще не рожденная наука, первоочередная задача которой состоит в регистрации нейтрино, исходящих от Солнца.