Як фізики-експериментатори "зловили" нейтрино
Спіймати невловиме, зафіксувати ефект, викликаний вільним нейтрино, - ось що було необхідно для остаточного доказу існування цієї таємничої частинки.
Складність завдання пояснювалася колосальної проникаючу здатність, яка очікувалася для нейтрино. Відверто кажучи, про це не було достатньо конкретно сказано на початку нашої статті, щоб не викликати в читача повної недовіри. Але зараз мова піде про досліди, які дозволили "зловити" нейтрино і довели, що воно дійсно має теоретично приписаними йому дивовижні властивості. І тепер можна сказати, що нейтрино можуть безперешкодно проникати, скажімо, крізь чавунну плиту, товщина якої в мільярди разів перевищує відстань від Землі до Сонця!
Іншими словами, через кілометрову товщину твердої речовини треба пропустити мільйон мільярдів нейтрино, щоб хоч одне з них могло викликати який-небудь ефект.
І все ж ця, здавалося б, нерозв'язна задача була вирішена. Зрозуміло, що пропускати одне нейтрино крізь астрономічну товщину речовини, щоб воно з великою ймовірністю прореагував, - це нереально. Більш практично пропускати астрономічне число нейтрино через розумну, скажімо метрову, товщину рідкого або твердого речовини.
Тут допомогло бурхливий розвиток нейтронної фізики, пов'язане з відкриттям і технічним освоєнням атомної енергії.
Відомо, яке величезне значення в науці і практиці мають ядерні реактори - пристрої, в яких відбувається розподіл ядер урану нейтронами. У кожному акті поділу утворюється декілька бета-радіоактивних ядер. І якщо справедлива гіпотеза про існування нейтрино, то в розпаді таких ядер нейтрони повинні відчувати перетворення згідно знайомої нам схемою:
Значить, потужні реактори повинні бути інтенсивними джерелами антинейтрино.
Як приклад розглянемо атомний реактор потужністю 300 тисяч кіловат. Це дуже велика потужність. Кожну секунду такий реактор випускає близько 5 • 10 19 тобто більше 10 мільярдів мільярдів антинейтрино. І все ж вловити "прослизають" частинки і тут вкрай важко. Про спробу зафіксувати нагрівання речовини під дією нейтрино не може бути й мови. Для того щоб, скажімо, половина енергії, яку переносять цим потоком частинок, звільнялася у вигляді тепла, необхідний поглинач масою 10 60 тонн, що незмірно перевищує масу Сонця.
Зате реєстрація окремих подій, викликаних антинейтрино, можлива. Фізики передбачили цікавий ядерний процес, який, безсумнівно, може бути викликаний нейтрино і антинейтрино, якщо вони існують, - процес, зворотний бета-розпаду.
Уявіть собі, що антинейтрино зустрічається з протоном - ядром атома водню. Що станеться при цьому? Теорія стверджує: будуть випадки, коли антинейтрино і протон перетворяться в позитрон і нейтрон:
Імовірність цього процесу можна добре розрахувати. А реєструючи його в експерименті, можна одночасно перевірити гіпотезу існування нейтрино.
Зрозуміло, для експерименту необхідний дуже потужне джерело "невловимих" частинок. Але згадуваний нами реактор потужністю в 300 тисяч кіловат цілком придатний для цієї мети. На відстані 10 метрів від нього очікуваний потік антинейтрино через кожен квадратний сантиметр складе приблизно 10 13 частинок в секунду. Такий потік антинейтрино, бомбардують тонну містить водень речовини (інакше кажучи, запас протонів), з розрахунку повинен щогодини викликати близько 100 перетворень протонів в нейтрони.
І це передбачення збулося. Воно підтвердилося в блискучому досвіді, закінченому в 1957 р американськими фізиками Райнесом і Коуеном. Антинейтрино потрапляли у величезний сцинтиляційний лічильник - цистерну з містить водень речовиною, здатним випускати спалах світла (сцинтиляції), коли крізь нього проходить електрично заряджена частинка. Кожну таку спалах реєстрували фотоелементи.
Експеримент проходив так. Як тільки протон, якому випала вкрай рідкісна доля зустрітися з антинейтрино, перетворювався в нейтрон і позитрон, останній давав спалах і реєструвався фотоелементами. Через деякий час нейтрон сповільнювався і, коли він ставав дуже повільним, захоплювався одним з ядер атомів речовини лічильника. При цьому народжувалися кванти електромагнітного випромінювання, які реєструвалися в тому ж сцинтилятор. Таким чином, кожне взаємодія антинейтрино з протоном тягло за собою два спалахи світла. Одна з них фіксувалася відразу ж, а інша - з деякою затримкою.
Досвід був надзвичайно важким. Досить сказати, що обсяг сцинтилятора приблизно в тисячу разів перевищував звичайний обсяг подібних пристроїв, що використовуються в дослідженнях з ядерної фізики. Це було викликано тим, що завдяки "інертності" антинейтрино менший обсяг приладу привів би до дуже незначного числа реєстрованих подій.
Підготовка та виконання цього унікального експерименту зажадали більше п'яти років.
Так "злодій енергії" був, нарешті, спійманий. Він займає зараз міцне місце в сім'ї фундаментальних цеглинок матерії.
Від усіх інших елементарних частинок нейтрино відрізняється надзвичайно слабкою взаємодією з ними. Це пояснює і астрономічну проникаючу здатність нейтрино. Таке слабке взаємодія можуть відчувати і всі інші елементарні частинки. Однак останні, крім слабких взаємодій, відчувають і інші, незрівнянно більш сильні, так що їх проникаюча здатність вимірюється, скажімо, тільки десятками сантиметрів чавуну.
Нейтрино унікальне тим, що у нього тільки слабку взаємодію, найчистішим представником якої вона є.