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

Несмотря на добросовестную работу Дэвиса и Бакала, к началу 1970-х стало понятно, что до решения «проблемы солнечных нейтрино» еще очень далеко. Такая ситуация вынуждала многих ученых предлагать все новые решения этой задачи – от разумных до самых нелепых. Некоторые специалисты предлагали откорректировать стандартную солнечную модель – уточнить содержание тяжелых элементов в нашей звезде, скорость вращения солнечного ядра, учесть влияние магнитного поля. Австралийский математик Эндрю Прентис выступил с еще более радикальным, если не сказать ужасающим предложением: он выдвинул гипотезу, что Солнце уже выгорело и от него осталось лишь гелиевое ядро. Поскольку фотоны, образующиеся в солнечном ядре, достигают Земли спустя несколько десятков тысяч лет после своего возникновения, факт выгорания Солнца станет очевиден для нас лишь спустя некоторое время. Британский астрофизик Фред Хойл, известный своими внесистемными взглядами, предположил, что солнечное ядро состоит в основном из тяжелых элементов, которые окружены водородной оболочкой. Еще некоторые теоретики высказывали мнение, что в центре Солнца может находиться черная дыра, а энергия Солнца образуется совсем не в процессе ядерного синтеза, а под действием утекания материи в эту черную дыру, которая, в свою очередь, подпитывает Солнце. Наконец, некоторые ученые полагали, что все несоответствия связаны с тем, что мы просто ошибочно представляем себе свойства нейтрино. Сам Бакал размышлял, не являются ли нейтрино нестабильными и не распадаются ли они на другие частицы. Понтекорво и его советские коллеги отстаивали точку зрения, что нейтрино могут существовать в виде нескольких сортов, причем на пути от Солнца переходить из одного сорта в другой. Они считали, что детектор Дэвиса регистрирует нейтрино только одного типа – этим и может объясняться немногочисленность отловленных частиц.

К началу 1980-х эксперимент на руднике Хоумстейк уже исчерпал кредит доверия в умах большинства физиков. Результаты, полученные Дэвисом, больше не обсуждались. Было очевидно, что он проделал титаническую работу, чтобы понять и максимально усовершенствовать свой аппарат, но досадные расхождения никуда не исчезли. Бакал и Дэвис писали: «Нам казалось удивительным и, пожалуй, более чем удручающим, что с момента выхода наших [первых] статей на эту тему [вышедших в 1968 г.] мы не наблюдаем никаких существенных изменений в наблюдениях, а также не можем доработать стандартную теорию, несмотря на 12-летний труд и постоянную перепроверку деталей, которые мы всеми силами пытались уточнить». Тем не менее на тот момент только Дэвису удалось поймать этих призрачных солнечных посланцев, а кроме него почти никто не горел желанием углубляться в исследование проблемы, которая, казалось бы, зашла в тупик. Наиболее точно ситуацию резюмировал Бакал: «Все специалисты, систематически занимающиеся исследованием солнечных нейтрино, – как теоретики, так и практики – могли свободно разместиться на переднем сиденье машины Рэя – и часто так и делали». Несоответствие между теоретическими прогнозами и количеством наблюдаемых солнечных нейтрино сохранялось, позже эта проблема была охарактеризована в газете The New York Times как «одна из самых удручающих неудач науки XX в.».

Большинство ученых возлагали вину за такое несоответствие на астрономов. Считалось, что проблема заключается в бакаловской модели солнечных недр. Но к концу 1980-х Бакал нашел новый повод для оптимизма. Зарождалась научная дисциплина – геосейсмология. Первые исследования в этой области были посвящены изучению вибрации Солнца, и они хорошо коррелировали с теоретическими прогнозами модели Бакала. Он, в свою очередь, почувствовал себя оправданным и объявил, что теперь очередь астрономов праздновать победу. Данные геосейсмологии свидетельствовали о корректности теоретической модели, а значит, корень проблемы с дефицитом наблюдаемых нейтрино заключался в чем-то другом. Многие физики критиковали этот вывод. Докладчик, подводивший итоги одной научной конференции, просто высмеял Бакала, продемонстрировав слайды с едкими карикатурами. Присутствовавший при этом Джон вспоминал: «Он заставил всю аудиторию, включая меня, смеяться над бравадой и гордыней того парня, который не постеснялся рассуждать о физике частиц, опираясь на свою мудреную солнечную модель». После такого прилюдного унижения Бакал стал гораздо осторожнее делиться своими выводами.

Тем временем в середине 1980-х на другом конце света разворачивался новый эксперимент, связанный с охотой на солнечные нейтрино. Работы велись в шахте Камиока, расположенной примерно в 150 км к западу от Токио. Установленный там детектор изначально проектировался для другой цели: он был призван проверить, могут ли распадаться протоны, поэтому эксперимент получил название Kamiokande[25]. В данном эксперименте были воплощены идеи ученого по имени Масатоси Косиба, вернувшегося на родину после нескольких лет работы в США. Косиба с коллегами хотел проверить основной теоретический прогноз так называемых «теорий большого объединения».

Эти теории, называемые в обиходе аббревиатурой ТБО, были призваны выстроить единый контекст для описания трех из четырех фундаментальных взаимодействий, существующих в природе. Теоретики предполагали, что, хотя в современной Вселенной электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие значительно отличаются друг от друга, непосредственно после Большого взрыва все они действовали как единая однородная сила. Если допустить, что такие теории верны, то в соответствии с подобной картиной мира протоны должны спонтанно распадаться на более легкие элементарные частицы, но такой «период полураспада» протона должен быть крайне велик. Косиба сознавал, что даже если среднее время жизни протона значительно превышает возраст Вселенной, то каждый год он все равно смог бы фиксировать несколько актов распада – при условии, что удастся отслеживать состояние колоссального количества протонов. Поэтому он убедил коллег сконструировать детектор Kamiokande. Эта установка представляла собой резервуар, содержащий 3000 т чистой воды. В стенках изнутри резервуара встроены тысячи ФЭУ. Правда, этот детектор не дал никаких доказательств в пользу распада протонов.

Но исследователи вскоре пришли к выводу, что выстроенный ими агрегат вполне можно использовать для регистрации солнечных нейтрино. Заручившись помощью американских коллег, они модифицировали и усовершенствовали свой эксперимент, чтобы детектор реагировал и на солнечные нейтрино. Эксперимент Kamiokande по обнаружению таких нейтрино функционально значительно отличался от исследования, проводившегося в шахте Хоумстейк. Во-первых, для регистрации частиц использовалась вода, а не безводная моющая жидкость. Время от времени солнечный нейтрино сталкивается с электроном в молекуле воды и выбивает его с орбиты, как один бильярдный шар – другой. Этот быстрый электрон оставляет своеобразный след, напоминающий по форме конус света. Такое бледно-голубое свечение получило название «излучение Черенкова»[26], в честь советского физика Павла Алексеевича Черенкова, исследовавшего этот феномен. ФЭУ, усеивающие стенки резервуара с внутренней стороны, способны зарегистрировать любую световую вспышку, а значит – взаимодействие электрона и нейтрино. Эксперимент Kamiokande помогал ответить и еще на два вопроса. По направлению светового конуса исследователи могли судить, откуда пришел нейтрино, а по интенсивности – определять энергию этого нейтрино. Важнейший из недостатков установки Kamiokande был таким же, как и в эксперименте Хоумстейк: установка позволяла зарегистрировать лишь сравнительно высокоэнергетические нейтрино. Другой недостаток заключался в том, что ФЭУ улавливали не только столкновения нейтрино и электронов, но и иные сигналы – например, вызываемые космическими лучами. Но исследователи нашли способ отличать события с участием нейтрино от прочих сигналов (помех) по очертаниям светового конуса.

Отчет о первых итогах охоты на нейтрино в рамках эксперимента Kamiokande вышел летом 1989 г. Независимые результаты, полученные японскими учеными, воодушевили Рэя Дэвиса: эксперимент Kamiokande не только подтвердил, что часть нейтрино попадает на Землю с Солнца, но и выявил дефицит количества частиц в полном соответствии с прогнозами Бакала – точно такой, какой наблюдался и в эксперименте Хоумстейк. Более того, в течение нескольких следующих лет исследователи из Камиоки также подтвердили, что и энергетический спектр улавливаемых нейтрино согласуется с расчетами Бакала. Оставалось признать, что Дэвис и Бакал с самого начала были правы и явный дефицит наблюдаемых солнечных нейтрино – реальность. Что же это означало? Бакал, испытавший огромное облегчение, узнав о результатах эксперимента Kamiokande, так ответил на этот вопрос: «Я почувствовал: ага, вот мы и исключили вероятность того, что экспериментальные результаты в чем-то ошибочны. Я полностью уверился, что моя теория верна. Показалось, что наконец-то у нас началась светлая полоса». Выяснилось, что дефицит нейтрино открывает путь к новой физике – впрочем, отнюдь не новой, по крайней мере для Бруно Понтекорво, указавшего этот путь еще несколькими десятилетиями ранее.