Недавно прошла 61 годовщина рождения экспериментальной нейтринной физики. К круглой дате я на год опоздал, но все же. Хочу рассказать, как появилась одна из интереснейших областей современной физики. Началось все с того, что для выполнения законов сохранения энергии и импульса придумали принципиально нерегистрируемую частицу. Потом этого «полтергейста» тщательно искали, причем весьма экстравагантным способом. Вплоть до идей взрывать ядерные бомбы ради регистрации 2-3 событий, причем свободнопадающим в течение пары секунд однотонным детектором.
Так начиналась история совершенно новой области в физике, которая принесла больше Нобелевских премий, чем любая другая.
В самом конце 19 века, когда физики уже всерьез опасались, что все возможные законы уже открыты и профессия теряет актуальность, Беккерель открыл эффект радиоактивности, начав новую эпоху в физике. В процессе изучения этот эффект разделили на три типа: альфа, бета и гамма излучение. Первый представлял из себя поток ядер гелия, второй — поток электронов и третий — поток фотонов. Сама радиоактивность представлялась как переход атома из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией, а разница точно равнялась энергии вылетевшей частицы.
Все было хорошо до тех пор, пока Джеймс Чедвик в 1914 году не померил энергии электронов, образующихся в результате бета-распада. Вместо нескольких четких линий, как это было для всех других типов радиации, он наблюдал непрерывный спектр.
Это заставило научное сообщество надолго задуматься и пересматривать самые основы физики. Эйнштейн, посещая лабораторию Чедвика, признался, что у него нет идей, как объяснить подобное поведение, Дебай писал по этому поводу: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Сам Нильс Бор покусился на святая святых — закон сохранения энергии. В течении нескольких лет он был уверен, что этот закон в микромире нарушается и разрабатывал соответствующую теорию.
Спустя почти 20 лет в 1930 году Паули высказал предположение о том, что может существовать легкая электрически нейтральная частица, которая и уносит недостающую энергию. Он назвал эту частицу нейтрон. Он сформировал свое предложение в письме к Тюбингемскому научному конгрессу (под катом). Примечательны обращения «Dear radioactive ladies and gentlemen», «dear radioactives», а так же причина, по которой сам мистер Паули не явился на конгресс. У него ночью намечался бал. Дамы не будут ждать, пока ты тут новую частицу открываешь.
Но в 1932 году уже упоминавшийся Джеймс Чедвик открыл нейтральную частицу с массой близкой к массе протона и для созвучия назвал ее нейтроном. Чтобы избежать путаницы, гипотетической частице Паули было присвоено название «нейтрино» (дословно «нейтрончик»). Сам Паули говорил, что допустил непростительную для теоретика ошибку: предложил принципиально нерегистрируемую частицу. И даже спорил с коллегой астрономом на бутылку шампанского, что при их жизни его гипотезу не подтвердят. Забегая вперед, скажу, что Паули спор проиграл. За два года до его смерти удалось пронаблюдать сигнал непосредственно от нейтрино.
Весьма примечательно, что спустя больше 30 лет наблюдения природа радиоактивности не была толком известна. Процесс представлялся следующим образом: в ядре атома что-то там происходит, заряд увеличивается на единицу, масса сохраняется и вылетает электрон. Именно поэтому сам нейтрон был открыт спустя только десятилетия после наблюдения его распада. В 1934 Энрико Ферми впервые создает стройную теорию бета-распада. Он использует гипотезу Паули о существовании нейтрино. Теперь процесс представляется следующим образом:
Теория блестяще совпадала с экспериментом за одним маленьким недостатком. Никаких свидетельств о существовании нейтрино пока не было.
Начались поиски неведомой частицы. Теория Ферми давала очень хорошие подсказки, как такую частицу искать. Реакцию бета распада можно было «прокручивать» в разные стороны, в частности рассматривать захват анти-нейтрино протоном с образованием позитрона и нейтрона.
Посчитать вероятность такого события было несложно, но результат сильно озадачил физиков. Для того, чтобы взаимодействие точно произошло, нейтрино должно пройти в свинце расстояние в 10 миллионов раз превышающее расстояние от Солнца до Земли. Это заставило ученых надолго отступиться от поисков нейтринных взаимодействий и пытаться искать косвенные доказательства.
Первые косвенные свидетельства были получены уже в 1936 году Александром Ильичом Лейпунским. Он предложил, и вскоре сам осуществил исследования реакции распада изотопа углерода:
Начальный атом углерода покоится, поэтому если нейтрино не существует, то суммарный импульс атома бора и позитрона должен быть нулевым. Поскольку интересующие частицы несут заряд, то измерение их импульсов не составило труда. Эксперимент показал, что разлет атома бора и позитрона не скомпенсирован, а значит некая частица, как и ожидалось, уносит импульс.
Второй вариант опыта был предложен в 1938 Алихановым и Алиханьяном и осуществлен в 1942 Алленом. Идея была в том, чтобы изучать электронный захват в атоме бериллия:
Электрон с нижней орбитали с некоторой вероятностью находится в самом ядре и может прореагировать с протоном, образовав нейтрино. Изначально атом покоится, а если из него вдруг вылетит частица, то получившийся атом лития должен отлететь в другую сторону. Опыт в очередной раз продемонстрировал существование таинственной частицы
Таким образом были получены убедительные доказательства существования нейтрино, но непосредственное обнаружение частицы еще долго оставалось нерешенной и весьма волнующей задачей.
Тут на сцену выступают Райнес и Коуэн. Первый из них во время Второй мировой войны и после нее активно участвовал в испытаниях ядерных бомб. Так у него появляется идея использовать ядерный взрыв в качестве источника нейтрино.
Первоначальная идея эксперимента была весьма и весьма необычной. Планировалось регистрировать обратный бета-распад, но как уже упоминалось, такие события чрезвычайно редки. Для увеличения вероятности взаимодействия нужен очень большой поток нейтрино и огромный объем детектора.
На 30 метровой вышке размещалась атомная бомба мощностью 20 килотонн. Ее взрыв должен был послужить источником огромного числа нейтрино. К слову, «Малыш», сброшенный на Хиросиму, имел такую же мощность. Времена были проще, ради туманных перспектив что-то там зарегистрировать взрывать бомбы не гнушались, и проект получил поддержку. Чем ближе к эпицентру взрыва, тем сильнее нейтринный поток. Но в то же время сильнее ударная волна. Огромный планируемый детектор, весом в тонну, просто не устоял бы против таких сотрясений. Чтобы уберечь установку, ее решили сбросить в вакуумную шахту в момент взрыва. Тогда ударная волна в земле не повредит детектор, и он, пролетев пару секунд в свободном падении и зарегистрировав несколько нейтринных событий, мягко приземлится на резиновую подкладку. Спустя несколько дней, когда радиационная обстановка на поверхности станет безопасной, детектор планировали откопать и узнать наконец тайну нейтрино.
У меня в голове не укладывается, как, разрабатывая детектор, в 1000 раз превышающий все существующие по размеру, можно отважится на такой смелый эксперимент — сброс его в шахту в продолжительное свободное падение.
Но первоначальной схеме не суждено было быть реализованной. Исследуя возможности понизить фон от пролетающих нейтронов, гамма-квантов и других проникающих лучей, команда решает в искомой реакции
регистрировать не только позитроны, но и нейтроны. Для этого в детектор планировали добавить кадмий, который будет захватывать нейтроны и высвечивать фотоны, которые уже очень легко регистрировать.
Время жизни изотопа кадмия 109m всего десятки микросекунд. Таким образом сигнал от нейтринного взаимодействия приобретает очень четкую подпись: позитрон почти сразу же аннигилирует с электроном, высвечивая пару фотонов с четко определенной энергией, а спустя несколько микросекунд происходит вторая вспышка — результат захвата нейтрона кадмием и опять с четко определенной энергией. Многократное подавление фона сделало возможным использовать в качестве источника уже не разрушительную ядерную бомбу, а вполне мирно работающий реактор. Вдобавок такой способ позволяет проводить экспозицию месяцы и годы, получая все более и более достоверный результат.
После разработки концепта ученые принялись за конструирование и тестирование детектора. На тот момент это была революционная установка. Тогда «большим» считался объем детектора в литр, здесь же планировалась использовать кубометр мишени, окруженный 90 фотоумножителями. Для сравнения, современные эксперименты, например Супер-Камиоканде, имеет объем 50 000 кубометров и просматриваются 13 000 ФЭУ. Планируемый Гипер-Камиоканде — в 20 раз больше и использует 100 000 ФЭУ.
В 1953 году начался сеанс набора данных на реакторе в Хенфорде. Фоновые процессы от вылетающих из реактора других частиц причиняли команде много хлопот. Приходилось постоянно ворочать сотни тонн свинца, дорабатывать барахлящее оборудование, электронику, дающую ложные срабатывания и проч. Команда работала с полной отдачей, надеясь на прорывной результат. Но несмотря на все старания фон от космических лучей и электроники был слишком велик. Статистика, набранная при включенном и выключенном реакторе, давала намек на то, что нейтринные взаимодействия действительно происходили, но определенности не было никакой. Тем не менее группа ученых, вдохновленная первым результатом, принялась модернизировать детектор для дальнейшей работы.
Вторым этапом исследований стали наблюдения на реакторе в Саванна Ривере. Новый детектор состоял из двух баков с водой и трех баллонов, заполненных жидким сцинтиллятором, веществом, которое светится при прохождении сквозь него излучения.
Принцип остался прежний — искать совпадения от двух сигналов: аннигиляции позитрона и захвата нейтрона. Выбор реактора в Саванна Ривере был обусловлен тем, что это был новый более мощный реактор и вдобавок здесь имелось подземное экранированное помещение, существенно уменьшающее влияние космического излучения. Результат не заставил себя долго ждать, уже спустя несколько месяцев, в июне 1956 года после многочисленных проверок были получены неопровержимые свидетельства нейтринных взаимодействий. Дверь в новую физику была открыта!
Райнес и Коуэн незамедлительно телеграфируют Паули о своем открытии.
Получив такую телеграмму, Паули прервал заседание в ЦЕРНе для того, чтобы зачитать собравшимся столь важную новость. А после, в честь этого открытия, Вольфганг с друзьями распили ящик шампанского. Много лет спустя стал известен текст так никогда и не отправленного ответа:
Независимое подтверждение такого результата было получено только спустя 8 лет в ускорительном эксперименте. А повторение реакторного эксперимента было осуществлено только через 20 лет. Несмотря на высокую оценку научного сообщества премии не спешили сыпаться на головы первооткрывателей самой слабовзаимодействующей частицы. Ирония заключалась даже в том, что в 1988 году Ледерман, Шварц и Стейнбергер получили Нобелевскую премию за открытие нового типа нейтрино — мюонного, за само же фундаментальное открытие нейтрино премия была выдана только в 1995 и только Райнесу. Коуэн до этого момента не дожил.
Райнес впоследствии продолжил свои исследования, измерял вероятность взаимодействия нейтрино с электроном, с дейтроном; впервые зарегистрировал «природные» нейтрино, рождающиеся в атмосфере, заложил многие основы этого раздела физики.
Впереди было еще много удивительнейших открытий: регистрация новых сортов нейтрино, открытие спиральности нейтрино, разделение нейтрино и антинейтрино, наблюдение осцилляций, регистрации нейтрино от вспышки сверхновой, поиски CP-нарушения. Впервые астрофизики смогли наблюдать Вселенную не через наблюдение электромагнитных волн именно с помощью нейтрино. Огромное количество мощнейших детекторов было построено и продолжает строиться для исследования этой неуловимой частицы
В заключении хочу сказать, что нейтрино есть в каждом из нас и в большом количестве! Каждую секунду через квадратный сантиметр на Земле проходит около 100 миллиардов таких частиц.
Так начиналась история совершенно новой области в физике, которая принесла больше Нобелевских премий, чем любая другая.
«Неправильные» электроны
В самом конце 19 века, когда физики уже всерьез опасались, что все возможные законы уже открыты и профессия теряет актуальность, Беккерель открыл эффект радиоактивности, начав новую эпоху в физике. В процессе изучения этот эффект разделили на три типа: альфа, бета и гамма излучение. Первый представлял из себя поток ядер гелия, второй — поток электронов и третий — поток фотонов. Сама радиоактивность представлялась как переход атома из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией, а разница точно равнялась энергии вылетевшей частицы.
Все было хорошо до тех пор, пока Джеймс Чедвик в 1914 году не померил энергии электронов, образующихся в результате бета-распада. Вместо нескольких четких линий, как это было для всех других типов радиации, он наблюдал непрерывный спектр.
Это заставило научное сообщество надолго задуматься и пересматривать самые основы физики. Эйнштейн, посещая лабораторию Чедвика, признался, что у него нет идей, как объяснить подобное поведение, Дебай писал по этому поводу: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Сам Нильс Бор покусился на святая святых — закон сохранения энергии. В течении нескольких лет он был уверен, что этот закон в микромире нарушается и разрабатывал соответствующую теорию.
Появление идеи о «нерегистрируемой» частице
Спустя почти 20 лет в 1930 году Паули высказал предположение о том, что может существовать легкая электрически нейтральная частица, которая и уносит недостающую энергию. Он назвал эту частицу нейтрон. Он сформировал свое предложение в письме к Тюбингемскому научному конгрессу (под катом). Примечательны обращения «Dear radioactive ladies and gentlemen», «dear radioactives», а так же причина, по которой сам мистер Паули не явился на конгресс. У него ночью намечался бал. Дамы не будут ждать, пока ты тут новую частицу открываешь.
Письмо Паули с предположением о существовании нейтрино
Но в 1932 году уже упоминавшийся Джеймс Чедвик открыл нейтральную частицу с массой близкой к массе протона и для созвучия назвал ее нейтроном. Чтобы избежать путаницы, гипотетической частице Паули было присвоено название «нейтрино» (дословно «нейтрончик»). Сам Паули говорил, что допустил непростительную для теоретика ошибку: предложил принципиально нерегистрируемую частицу. И даже спорил с коллегой астрономом на бутылку шампанского, что при их жизни его гипотезу не подтвердят. Забегая вперед, скажу, что Паули спор проиграл. За два года до его смерти удалось пронаблюдать сигнал непосредственно от нейтрино.
Весьма примечательно, что спустя больше 30 лет наблюдения природа радиоактивности не была толком известна. Процесс представлялся следующим образом: в ядре атома что-то там происходит, заряд увеличивается на единицу, масса сохраняется и вылетает электрон. Именно поэтому сам нейтрон был открыт спустя только десятилетия после наблюдения его распада. В 1934 Энрико Ферми впервые создает стройную теорию бета-распада. Он использует гипотезу Паули о существовании нейтрино. Теперь процесс представляется следующим образом:
Теория блестяще совпадала с экспериментом за одним маленьким недостатком. Никаких свидетельств о существовании нейтрино пока не было.
Косвенные свидетельства существования «полтергейста»
Начались поиски неведомой частицы. Теория Ферми давала очень хорошие подсказки, как такую частицу искать. Реакцию бета распада можно было «прокручивать» в разные стороны, в частности рассматривать захват анти-нейтрино протоном с образованием позитрона и нейтрона.
Посчитать вероятность такого события было несложно, но результат сильно озадачил физиков. Для того, чтобы взаимодействие точно произошло, нейтрино должно пройти в свинце расстояние в 10 миллионов раз превышающее расстояние от Солнца до Земли. Это заставило ученых надолго отступиться от поисков нейтринных взаимодействий и пытаться искать косвенные доказательства.
Первые косвенные свидетельства были получены уже в 1936 году Александром Ильичом Лейпунским. Он предложил, и вскоре сам осуществил исследования реакции распада изотопа углерода:
Начальный атом углерода покоится, поэтому если нейтрино не существует, то суммарный импульс атома бора и позитрона должен быть нулевым. Поскольку интересующие частицы несут заряд, то измерение их импульсов не составило труда. Эксперимент показал, что разлет атома бора и позитрона не скомпенсирован, а значит некая частица, как и ожидалось, уносит импульс.
Второй вариант опыта был предложен в 1938 Алихановым и Алиханьяном и осуществлен в 1942 Алленом. Идея была в том, чтобы изучать электронный захват в атоме бериллия:
Электрон с нижней орбитали с некоторой вероятностью находится в самом ядре и может прореагировать с протоном, образовав нейтрино. Изначально атом покоится, а если из него вдруг вылетит частица, то получившийся атом лития должен отлететь в другую сторону. Опыт в очередной раз продемонстрировал существование таинственной частицы
Таким образом были получены убедительные доказательства существования нейтрино, но непосредственное обнаружение частицы еще долго оставалось нерешенной и весьма волнующей задачей.
Проект «Полтергейст» или невзорвавшаяся бомба
Тут на сцену выступают Райнес и Коуэн. Первый из них во время Второй мировой войны и после нее активно участвовал в испытаниях ядерных бомб. Так у него появляется идея использовать ядерный взрыв в качестве источника нейтрино.
Примечательный разговор Райнеса с Ферми
Из Нобелевской лекции Фредерика Райнеса 1995 год.
Так случилось, что летом 1951 г. в Лос-Аламосе находился Энрико Ферми. Я робко постучал к нему в дверь и сказал: «Я хотел бы поговорить с Вами несколько минут о возможности регистрации нейтрино». Он был очень приветлив и ответил: «Хорошо, расскажите мне, что у вас на уме?» Я сказал: «Во-первых, что касается источника нейтрино, я думаю, что бомба подходит лучше всего». После коротких раздумий он ответил: «Да, бомба лучший источник». До сих пор все было хорошо! Тогда я предложил: «Но нужен очень большой детектор. Я не знаю, как сделать такой детектор». Он подумал немного и сказал, что тоже не знает. Это заявление Мастера меня потрясло. И я оставил идею до случайного разговора в Клайдом Коуэном.
Первоначальная идея эксперимента была весьма и весьма необычной. Планировалось регистрировать обратный бета-распад, но как уже упоминалось, такие события чрезвычайно редки. Для увеличения вероятности взаимодействия нужен очень большой поток нейтрино и огромный объем детектора.
На 30 метровой вышке размещалась атомная бомба мощностью 20 килотонн. Ее взрыв должен был послужить источником огромного числа нейтрино. К слову, «Малыш», сброшенный на Хиросиму, имел такую же мощность. Времена были проще, ради туманных перспектив что-то там зарегистрировать взрывать бомбы не гнушались, и проект получил поддержку. Чем ближе к эпицентру взрыва, тем сильнее нейтринный поток. Но в то же время сильнее ударная волна. Огромный планируемый детектор, весом в тонну, просто не устоял бы против таких сотрясений. Чтобы уберечь установку, ее решили сбросить в вакуумную шахту в момент взрыва. Тогда ударная волна в земле не повредит детектор, и он, пролетев пару секунд в свободном падении и зарегистрировав несколько нейтринных событий, мягко приземлится на резиновую подкладку. Спустя несколько дней, когда радиационная обстановка на поверхности станет безопасной, детектор планировали откопать и узнать наконец тайну нейтрино.
У меня в голове не укладывается, как, разрабатывая детектор, в 1000 раз превышающий все существующие по размеру, можно отважится на такой смелый эксперимент — сброс его в шахту в продолжительное свободное падение.
Но первоначальной схеме не суждено было быть реализованной. Исследуя возможности понизить фон от пролетающих нейтронов, гамма-квантов и других проникающих лучей, команда решает в искомой реакции
регистрировать не только позитроны, но и нейтроны. Для этого в детектор планировали добавить кадмий, который будет захватывать нейтроны и высвечивать фотоны, которые уже очень легко регистрировать.
Время жизни изотопа кадмия 109m всего десятки микросекунд. Таким образом сигнал от нейтринного взаимодействия приобретает очень четкую подпись: позитрон почти сразу же аннигилирует с электроном, высвечивая пару фотонов с четко определенной энергией, а спустя несколько микросекунд происходит вторая вспышка — результат захвата нейтрона кадмием и опять с четко определенной энергией. Многократное подавление фона сделало возможным использовать в качестве источника уже не разрушительную ядерную бомбу, а вполне мирно работающий реактор. Вдобавок такой способ позволяет проводить экспозицию месяцы и годы, получая все более и более достоверный результат.
После разработки концепта ученые принялись за конструирование и тестирование детектора. На тот момент это была революционная установка. Тогда «большим» считался объем детектора в литр, здесь же планировалась использовать кубометр мишени, окруженный 90 фотоумножителями. Для сравнения, современные эксперименты, например Супер-Камиоканде, имеет объем 50 000 кубометров и просматриваются 13 000 ФЭУ. Планируемый Гипер-Камиоканде — в 20 раз больше и использует 100 000 ФЭУ.
Первый результат
В 1953 году начался сеанс набора данных на реакторе в Хенфорде. Фоновые процессы от вылетающих из реактора других частиц причиняли команде много хлопот. Приходилось постоянно ворочать сотни тонн свинца, дорабатывать барахлящее оборудование, электронику, дающую ложные срабатывания и проч. Команда работала с полной отдачей, надеясь на прорывной результат. Но несмотря на все старания фон от космических лучей и электроники был слишком велик. Статистика, набранная при включенном и выключенном реакторе, давала намек на то, что нейтринные взаимодействия действительно происходили, но определенности не было никакой. Тем не менее группа ученых, вдохновленная первым результатом, принялась модернизировать детектор для дальнейшей работы.
Вторым этапом исследований стали наблюдения на реакторе в Саванна Ривере. Новый детектор состоял из двух баков с водой и трех баллонов, заполненных жидким сцинтиллятором, веществом, которое светится при прохождении сквозь него излучения.
Принцип остался прежний — искать совпадения от двух сигналов: аннигиляции позитрона и захвата нейтрона. Выбор реактора в Саванна Ривере был обусловлен тем, что это был новый более мощный реактор и вдобавок здесь имелось подземное экранированное помещение, существенно уменьшающее влияние космического излучения. Результат не заставил себя долго ждать, уже спустя несколько месяцев, в июне 1956 года после многочисленных проверок были получены неопровержимые свидетельства нейтринных взаимодействий. Дверь в новую физику была открыта!
Райнес и Коуэн незамедлительно телеграфируют Паули о своем открытии.
Получив такую телеграмму, Паули прервал заседание в ЦЕРНе для того, чтобы зачитать собравшимся столь важную новость. А после, в честь этого открытия, Вольфганг с друзьями распили ящик шампанского. Много лет спустя стал известен текст так никогда и не отправленного ответа:
Спасибо за сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать. Паули
Итоги и дальнейшие работы
Независимое подтверждение такого результата было получено только спустя 8 лет в ускорительном эксперименте. А повторение реакторного эксперимента было осуществлено только через 20 лет. Несмотря на высокую оценку научного сообщества премии не спешили сыпаться на головы первооткрывателей самой слабовзаимодействующей частицы. Ирония заключалась даже в том, что в 1988 году Ледерман, Шварц и Стейнбергер получили Нобелевскую премию за открытие нового типа нейтрино — мюонного, за само же фундаментальное открытие нейтрино премия была выдана только в 1995 и только Райнесу. Коуэн до этого момента не дожил.
Райнес впоследствии продолжил свои исследования, измерял вероятность взаимодействия нейтрино с электроном, с дейтроном; впервые зарегистрировал «природные» нейтрино, рождающиеся в атмосфере, заложил многие основы этого раздела физики.
Впереди было еще много удивительнейших открытий: регистрация новых сортов нейтрино, открытие спиральности нейтрино, разделение нейтрино и антинейтрино, наблюдение осцилляций, регистрации нейтрино от вспышки сверхновой, поиски CP-нарушения. Впервые астрофизики смогли наблюдать Вселенную не через наблюдение электромагнитных волн именно с помощью нейтрино. Огромное количество мощнейших детекторов было построено и продолжает строиться для исследования этой неуловимой частицы
В заключении хочу сказать, что нейтрино есть в каждом из нас и в большом количестве! Каждую секунду через квадратный сантиметр на Земле проходит около 100 миллиардов таких частиц.
Источники
- Хорошая, но уже очень сильно устаревшая и с огромным количеством опечаток статья по истории нейтринной физики
- Los Alamos Science Number 25 1997
- Нобелевская лекция Фредерика Райнеса 1995 г.
- Много англоязычной Википедии
