Рэй Джаявардхана - Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей
Атомные бомбы оказались не только невероятно разрушительным оружием, но и потрясающим источником нейтрино. Атомные взрывы сопровождаются бурным делением ядер и образованием множества нестабильных изотопов, которые распадаются, испуская целые фонтаны этих частиц. При таком количестве нейтрино задача их экспериментального обнаружения упрощается; чем больше поток нейтрино – тем выше шансы, что какие-то из них попадут в детектор. Но когда ведущие физики по обе стороны Атлантики напряженно занимались военными разработками, мало кто из них вообще задумывался о проблеме нейтрино – в том числе Энрико Ферми, относившийся к наиболее активным участникам Манхэттенского проекта. Однако один из итальянских учеников Ферми, Бруно Понтекорво, не участвовал непосредственно в оборонных исследованиях. Именно он смог найти ответы на важнейшие вопросы, связанные с природой неуловимых нейтрино, догадался, как захватывать эти частицы, и сам ускользнул незаметно, как нейтрино.
Бруно Понтекорво родился в зажиточной еврейской семье близ Пизы, недалеко от той самой площади, где Галилей еще в XVI в. ставил свои легендарные опыты с падающими телами.
Семья Понтекорво владела текстильной фабрикой, на которой трудилось множество рабочих. Его родители могли позволить себе шикарный летний отдых, а также дали домашнее образование своим детям, приглашая лучших учителей. Будучи подростком, Понтекорво превосходно играл в теннис, а в школе блистал на естественно-научных предметах. Окончив среднюю школу, поступил на инженерный факультет Пизанского университета, но уже через два года перебрался в Римский университет. Там он собирался изучать физику под руководством Энрико Ферми, который уже снискал мировую славу одного из ведущих ученых.
В тот период Италия переживала непростые времена, в стране процветала фашистская идеология. Однако Понтекорво не интересовался политикой, несмотря даже на то, что некоторые его родственники были пацифистами и леваками. Правительство Муссолини всячески поддерживало научные исследования; фашисты усматривали в этом залог индустриального развития страны. Крупные компании привлекались к инвестициям в инновационные проекты, в Италии был создан национальный научно-исследовательский совет, государственное финансирование фундаментальных исследований значительно выросло. Ферми умел пользоваться таким патронажем и прилагал всяческие усилия, чтобы не допускать политику в свою лабораторию, но в то же время не раздражать государственных чиновников. Правда, впоследствии Ферми отмежевался от фашистского режима.
Понтекорво с отличием окончил университет и присоединился к исследовательской группе Ферми. Сначала он довольно неуклюже обращался с лабораторным оборудованием, но быстро освоил искусство научного эксперимента. В 1934 г. Понтекорво сыграл ключевую роль в одном из исследований: вместе с коллегами он открыл, что при бомбардировке атомов медленными нейтронами скорость химических реакций возрастает. Понтекорво был не только соавтором научной статьи о данном исследовании, но и совладельцем патента, описывавшего возможности коммерческого применения этого феномена. Через два года Понтекорво отправился в Париж, чтобы работать вместе с Ирен Жолио-Кюри (дочерью Пьера и Марии Кюри) и ее мужем Фредериком. Супруги Жолио-Кюри проводили эксперименты, изучая превращения атомного ядра.
В те годы в Париже бурно цвели левацкие движения, город был излюбленным убежищем для политических эмигрантов со всей Европы, спасавшихся от тоталитарных режимов. Поэтому неудивительно, что Понтекорво всерьез заинтересовался социалистическими идеями и завел немало знакомств среди активных участников левых политических движений – в частности, через своего брата Джилло, переехавшего в Париж вслед за Бруно. Джилло был убежденным марксистом и членом Итальянской коммунистической партии. Кстати, спустя тридцать лет Джилло снял культовый антиколониальный фильм «Битва за Алжир». Возможно, в ходе бесед с братом и друзьями Бруно Понтекорво задумывался о том, в чем заключается политический и гражданский долг ученого. Живя в Париже, Понтекорво повстречал Марианну Нордблом – студентку из Швеции, изучавшую французскую литературу. Молодые люди познакомились в общежитии, но вскоре решили съехаться и жить вместе. Через некоторое время у них родился сын.
В 1940 г. Бруно и Марианна поженились. Учитывая, что на родине Понтекорво бушевал антисемитизм, а нацисты вторглись во Францию, супруги были вынуждены бежать в США – как и Ферми, уехавший туда двумя годами ранее. Понтекорво устроился на работу в нефтяную компанию в штате Оклахома. Здесь он сумел применить свой опыт из области ядерной физики при разработке новых технологий для разведки нефти. Несмотря на переезд в США и близкое знакомство с Ферми, Понтекорво не был приглашен к участию в Манхэттенском проекте; вероятно, спецслужбы не доверяли Бруно из-за его социалистических убеждений. Но Понтекорво присоединился к британско-канадскому проекту, связанному с постройкой ядерного реактора на реке Чок-Ривер в канадской провинции Онтарио. Семья Понтекорво переехала в Канаду в 1943 г.
Именно в Канаде Понтекорво заинтересовался нейтрино. Разумеется, он был знаком с теорией своего учителя Ферми о бета-распаде. Согласно этой теории при бета-распаде атом испускает электрон и нейтрино, а один из его нейтронов превращается в протон. Однако, несмотря на царившее тогда убеждение о неуловимости нейтрино, Понтекорво был твердо уверен, что зафиксировать эту частицу все-таки можно, главное – правильно поставить эксперимент. Вероятность фиксации отдельного нейтрино в детекторе очень мала, но Понтекорво полагал, что если бы каждую секунду через детектор пролетали триллионы этих частиц, то хотя бы несколько из них удалось бы поймать. Для проведения такого эксперимента первым делом требовалось отыскать обильный источник нейтрино. Понтекорво знал, что даже очень большой образец радия не дал бы заметного потока нейтрино, образующихся при бета-распаде. Но ядерный реактор, рассуждал Понтекорво, действительно должен ежесекундно извергать триллионы таких частиц. Спустя почти сорок лет он вспоминал: «Как мне казалось [в 1946 г.], после создания мощных ядерных реакторов обнаружить свободные нейтрино станет вполне возможно». Учитывая, как хорошо Понтекорво разбирался в получении ядерной энергии, в этом замечании нет ничего удивительного. Но ученый пошел дальше: он описал, как поймать эти призрачные частицы.
Понтекорво знал, что, согласно теории Ферми, при попадании нейтрино в ядро атома должны произойти два явления. Во-первых, нейтрино подхватывает отрицательный заряд и превращается в электрон. Во-вторых, для сохранения электрического равновесия ядро приобретает положительный заряд. Иными словами, если по атому попадает нейтрино, то этот атом превращается в атом другого элемента, занимающего следующую клетку в таблице Менделеева, так как один из нейтронов в ядре этого атома превращается в протон. Понтекорво догадался, что если этот новый атом окажется радиоактивен, то о его наличии можно будет судить по радиации, которой сопровождается бета-распад. Так Понтекорво разработал практические требования для постановки такого эксперимента. Во-первых, предстояло найти вещество, которое будет обстреливаться нейтрино. Предполагалось, что это вещество будет дешевым и легкодоступным, так как для создания достаточно крупного нейтринного детектора его понадобилось бы довольно много. Во-вторых, веществу-мишени нужно было становиться радиоактивным при поглощении нейтрино. В-третьих, полученный таким образом радиоактивный продукт не должен был распадаться слишком быстро – то есть необходим запас времени на измерения. Учитывая все эти соображения, Понтекорво решил использовать большой резервуар с жидким безводным моющим средством (тетрахлоридом углерода), в котором содержится большое количество атомов хлора. Ученый знал, что, согласно теории Ферми, при столкновении нейтрино с атомом хлора последний должен превратиться в радиоактивный изотоп аргона – химически инертного благородного газа. Последующий распад атома аргона будет означать, что в породивший его атом хлора попал нейтрино. Так Понтекорво изобрел хитроумный способ, позволяющий изловить частицу-полтергейст.
Но Понтекорво было не суждено самому заняться охотой на нейтрино. Он подал документы на получение британского гражданства и в 1948 г. отправился в Англию вместе с женой и тремя сыновьями. Это был его четвертый переезд за 12 лет. Понтекорво успел около двух лет проработать в лаборатории по атомным исследованиям в городе Харвелл близ Оксфорда, после чего ему пришлось переключиться на решение неотложных проблем, не оставлявших никакого времени на разгадывание тайны неуловимых нейтрино. Поскольку Понтекорво не скрывал своих коммунистических убеждений, за ним все пристальнее следили и ФБР, и британская спецслужба МI5. Понтекорво вынуждали прекратить исследовательскую работу в Харвелле и перейти к академической деятельности, поскольку он мог получить доступ к информации о секретных военных разработках.
