Текст книги "Жизнь и идеи Бруно Понтекорво"

15. Пропорциональные счетчики

В ходе работы над будущими детекторами для радиоактивного ³⁷Ar Бруно сделал важное экспериментальное открытие – обнаружил новый режим работы пропорционального счетчика. Тогда одним из главных инструментов экспериментатора был счетчик Гейгера. Кино и телевидение создало зловещий, но правильный образ счетчика Гейгера – нечто щелкающее. Действительно, счетчик Гейгера работает при больших напряжениях на электроде и от факта прохождения частицы остается только щелчок, порождаемый большим импульсом тока. Было известно, что при малых напряжениях на электродах счетчика наступает так называемый пропорциональный режим: при прохождении ионизирующей частицы число электронов, достигающих анода, становится пропорциональным числу первоначально возникших ионов. То есть по величине импульса на аноде можно судить об ионизующей способности частицы. Причем считалось, что первичный сигнал нельзя усилить более чем в 100 раз. Однако Бруно вместе со своими коллегами Г. Ханной и Д. Кирквудом показали, что если первоначальных ионов мало – а именно так должно быть при детектировании нейтрино, где образуется буквально несколько атомов ³⁷Ar, то коэффициент усиления пропорционального счетчика может достигать 1 000 000 [53]. Этот результат был не только очень важен для радиохимического метода, но и вообще положил начало широкому использованию таких детекторов, которые в наше время превратились в пропорциональные камеры, ставшие одними из основных трековых приборов в экспериментах по физике элементарных частиц.

С помощью пропорциональных счетчиков Бруно с Г. Ханной провели классический опыт по измерению массы нейтрино в распаде трития:

Рис. 15-1. Расчетный спектр электронов в распаде трития для разных значений массы нейтрино [54].

Идея опыта проста: надо измерить энергетический спектр электрона при как можно более высоких значениях. Это соответствует ситуациям, когда импульс нейтрино мал и предельное значение энергии электрона определяется разностью между энергией, выделяющейся в распаде (4), и массой нейтрино. Если масса нейтрино отлична от нуля, то энергетический спектр электронов будет оканчиваться при меньших значениях энергии, как показано на Рис. 15-1.

Понтекорво и Ханна измерили энергетический спектр электронов в распаде трития и получили первое ограничение на массу нейтрино – меньше 500 эВ [55]. С тех пор этот опыт повторяли много раз, каждый раз на новом уровне техники. Сегодня распад трития изучают в огромной установке KATRIN, где диаметр спектрометра достигает 10 метров. Набор статистики еще не закончен, последнее достижение – масса нейтрино меньше 1,1 эВ [56]. Это самое жесткое ограничение на массу нейтрино, полученное в прямых измерениях. То есть оказалось, что Понтекорво и Ханна в 1949 г. предложили лучший экспериментальный способ для прямого измерения массы нейтрино[9]9
  Самое жесткое ограничение на массу нейтрино дают сейчас космологические данные: m_ν < 0,7 эВ.


[Закрыть].

16. Универсальность слабого взаимодействия

В конце сороковых единственным известным процессом слабого взаимодействия был бета-распад нейтрона (2). Правда, в космических лучах уже был открыт мюон с массой 105 МэВ, но в первое время думали, что эта частица является переносчиком сильного взаимодействия. Называли ее «мезотроном». Существование мезотронов предсказывал японский физик Х. Юкава. Согласно теории Юкавы, атомное ядро стабильно за счет постоянного обмена мезотронами между протонами и нейтронами. То есть мезотрон – частица, склеивающая протоны и нейтроны в ядре.

Но в 1947 г. М. Конверси, Э. Панчини и О. Пиччиони установили, что мезотрон не является сильновзаимодействующей частицей. Они увидели, что положительные и отрицательные мюоны с одинаковой вероятностью проходят через графит. Отрицательно заряженные мюоны, подобно электронам, должны были замедляться, захватываться в атомы, а затем поглощаться ядром. Но раз этого не происходило, то вероятность захвата должна быть меньше вероятности распада мюона. Казалось бы, что тут такого? Но вероятность распада мюона была известна экспериментально, а вероятность захвата можно было оценить из теории Юкавы. Оказалось, что если мезотрон – частица Юкавы, то расчеты не сходятся с экспериментом в 10¹² раз!

Сейчас, когда открытие означает тонкий эффект превышения сигнала над фоном на уровне пяти статистических ошибок, трудно представить, что было такое счастливое время, когда экспериментаторы находили явления, не сходившиеся с теорией в 10¹² раз!

Луис Альварес в своей Нобелевской речи в 1968 г. говорил, что современная физика частиц началась именно с опыта Конверси – Панчини – Пиччиони.

На Бруно этот опыт также оказал сильнейшее влияние: просто изменил всю жизнь, поскольку привлек внимание к проблемам физики частиц и космических лучей [29]. Сам Бруно рассказывал о своих впечатлениях следующее [57]:

«Как только я прочел статью Конверси и др., я был буквально пленен частицей, которую мы теперь называем мюоном. Это была действительно интригующая частица: “заказанная” Юкавой и открытая Андерсоном, она, как обнаружили Конверси и др., в действительности не имела ничего общего с частицей Юкавы!

Я почувствовал себя подхваченным антидогматическим ветром и начал задавать массу вопросов типа:

– Почему спин мюона должен быть целым?

– Кто сказал, что мюон должен распадаться на электрон и нейтрино, а не на электрон и два нейтрино или электрон и фотон?

– Является ли заряженная частица, вылетающая при распаде мюона, электроном?

– Испускаются ли при распаде мюона другие частицы, кроме электрона и нейтрино?

– В какой форме высвобождается энергия при захвате мюона ядром?»

Я хорошо помню огромное впечатление, которое на меня произвело это перечисление, когда Бруно рассказывал о нем в одном из своих выступлений на сессии Ученого совета ОИЯИ. Меня поразила глубина и многогранность анализа. Бруно рассматривал не один, хоть и выдающийся, экспериментальный факт, а все стороны и все вопросы, которые возникают при изучении этого явления. Глубина и системность анализа – ключевые отличия научного таланта Бруно – очень хорошо проявляются в этом перечислении.

Обдумывая причины аномального взаимодействия мюона с веществом, Бруно пришел к фундаментальной идее: а что если взаимодействие мюона с веществом – это такое же слабое взаимодействие, как и бета-распад нейтрона?

Эту идею Бруно изложил в 1947 г. в классической статье в Physical Review, которая занимает меньше странички текста [58].

Суть статьи в одном предложении:

«We notice that the probability (about 10⁶ s^-1) of capture of a bound negative meson is of the order of the probability of ordinary K-capture processes…».

В нем Бруно обращает внимание на то, что скорость захвата отрицательного мюона ядрами, после поправок на фазовый объем, сравнима со скоростью захвата электрона с нижней К-орбиты атома.

В современных обозначениях речь идет о том, что измеренная вероятность захвата мюона ядром

оказалась близка к вероятности процесса захвата электрона

Все, в статье нет ни единой формулы, нет никаких четких цифр. Обсуждение идет по порядку величины. Есть только чистая идея – одно предложение, приведенное выше, а весь остальной текст посвящен тому, что если это предположение верно, то как можно его проверить экспериментально. Здесь как раз и приводится тот список вопросов, о которых Бруно потом неоднократно рассказывал, в том числе и на сессии Ученого совета ОИЯИ.

Однако основная ценность статьи не в составлении списка вопросов, которые затем вылились в целую программу экспериментов. В ней впервые была высказана мысль о том, что слабое взаимодействие может быть одинаковым как для электрона, так и для мюона. То есть бета-распад, распад мюона и захват мюона в ядрах – проявление одного и того же взаимодействия.

Позднее эту идею красиво представил Джампьетро Пуппи, который в 1948 г. предположил, что все процессы слабого взаимодействия имеют одинаковую силу и визуализовал это утверждение в виде треугольника (Рис. 16-1), у которого длина стороны соответствует величине константы связи соответствующего процесса.

Это сейчас, когда универсальность слабого взаимодействия надежно установлена, Бруно и другим ученым, позднее высказавшим аналогичную идею, воздается должное. Но в конце 40-х многое было непонятно, и вопрос об универсальности слабого взаимодействия долгое время был совершенно открыт. Для гравитационного взаимодействия ситуация четкая: его универсальность проявляется в одинаковости силы гравитации или точнее – константы гравитационного взаимодействия между любыми частицами. В случае же слабого взаимодействия эксперименты показали, что константы взаимодействия электрона с нуклоном или мюона с нуклоном похожи, но не совсем одинаковы. Треугольник Пуппи не совсем равносторонний. Потребовалась довольно нетривиальная модификация теории и многочисленные эксперименты, чтобы прийти к заключению, что все лептоны действительно взаимодействуют с одинаковой силой.

Рис. 16-1. Треугольник Пуппи.

Сейчас это одно из основных положений современной Стандартной модели физики элементарных частиц, но в 1947 никакой пророк не мог этого предвидеть. Но почувствовать!

Мы уже говорили, что сам Бруно считал, что как физика его выделяет наличие «немного фантазии». Пример с универсальностью слабого взаимодействия очень хорошо показывает другое качество таланта Бруно – умение предугадывать важность проблемы еще до того, как многие в ней разобрались. Г. В. Мицельмахер назвал это качество Бруно «прекрасный вкус в физике» [59]. Обычно мы говорим, что у человека прекрасный вкус, когда он славится умением выбирать правильную книгу, спектакль или вино. Так и Бруно всегда выбирал «вкусную», оригинальную физическую проблему – изомерия, нейтронный каротаж, метод детектирования нейтрино, универсальность слабого взаимодействия и, конечно, осцилляции нейтрино.

Судьба этой статьи Понтекорво – интересный феномен для историков науки. Несмотря на то, что она была опубликована в одном из самых главных физических журналов, несмотря на фундаментальность ее основной идеи, реакция на статью была нулевая. Даже Ферми не обратил никакого внимания на эту истинно пророческую работу Бруно и никогда о ней не говорил.

Нобелевский лауреат Джек Стейнбергер в это время работал в Чикаго в группе Ферми. Тогда он выполнил один из первых экспериментов, подтвердивших идею универсальности Бруно, которую он называет «enormously imaginative suggestion»[10]10
  «необычайно пророческим предложением».


[Закрыть]. Стейнбергер пишет [60], что в то время никто не мог и близко вообразить, что есть нечто общее между мюоном и электроном. Гениальная догадка Бруно была сделана слишком рано, чтобы в нее могли поверить. Особенно удивляет Стейнбергера, что даже Ферми, создатель первой теории бета-распада, которого идея универсальности слабого взаимодействия должна была интересовать больше всего, тем не менее никогда не обсуждал ее. Поскольку поток физических статей в то время был существенно мал, а работа Бруно опубликована в очень известном журнале, нельзя предполагать, что Ферми ее не читал. Значит, не верил – делает вывод Стейнбергер.

В научной судьбе Бруно обдумывание идеи универсальности сыграло важнейшую роль. Он стал методично выполнять именно те эксперименты, о которых написал в основополагающей статье [58].

17. Распады мюона

Первым подверглось проверке предположение о спине мюона. Мезон Юкавы должен был иметь спин 0. Поскольку свойства мюона сильно отличались от ожидаемых для мезона Юкавы, логично было бы предположить, что и спин у него не ноль, а ½. Тогда был бы возможен распад

μ → e + γ (5)

Характерная подпись этой реакции – образование в конечном состоянии двух частиц с энергиями в районе 50 МэВ, которые разлетаются друг против друга.

В принципе, нейтральной частицей, образующейся вместе с электроном, мог быть не гамма-квант, а какой-нибудь нейтральный мезон.

μ → e + N⁰ (6)

В конце 40-х такую частицу называли «нейтретто» и думали, что масса ее на 25–30 МэВ меньше, чем масса мюона. Тогда энергетический спектр электронов должен был обрываться на значениях, меньших 50 МэВ. Из величины граничной энергии электронов можно было бы наложить ограничения на массу нейтретто.

Далее логически был возможен распад мюона на нейтретто и нейтрино:

И, наконец, мюон мог распадаться на электрон и два нейтрино:

Все эти возможности были исследованы Бруно в серии опытов, которые он провел с Тэдом Хинксом в 1948–1949 гг. Они собрали довольно сложную для того времени установку и провели долгие сеансы набора статистики, изучая распады мюонов из космических лучей. Никаких других возможностей получать мюоны в то время не было.

Схема установки [61] для поиска распада (5) показана на Рис. 17-1.

Установка состояла из свинцового фильтра толщиной 15 см, который отсекал мягкую компоненту космических лучей и пропускал преимущественно мюоны. Они попадали в первый ковер А, состоящий из 8 гейгеровских счетчиков, за которым располагался графитовый замедлитель. В нем мюоны распадались, а продукты распада должны были регистрироваться коврами счетчиков В и С. В каждой сборке В и С было по 8 гейгеровских счетчиков длиной 15 дюймов и толщиной 1 дюйм.

Если бы происходила реакция (5), то сначала срабатывал счетчик в ковре А, потом через некоторое время (2,2 микросекунды), которое требовалось мюону для распада, одновременно срабатывали бы счетчики В и С. Одновременно – на практике означает, что сигналы от В и С приходят внутри некоторого окна совпадений, отстоящего на 2,2 микросекунды от сигнала А.

Рис. 17-1. Схема эксперимента по поиску распада мюона (5).

Однако в реальной жизни всегда есть вероятность, что сигналы в В и С могут совпасть случайным образом. Чтобы измерить эффект случайных совпадений, экспериментаторы половину времени работали с установкой, где графитовый поглотитель был убран.

В результате оказалось, что никаких сигналов распада мюона в реакции (5) не видно: наличие или отсутствие графитового поглотителя никак не сказывалось на частоте срабатываний В и С внутри окна совпадений. Она практически не отличалась от частоты случайных совпадений.

Мы говорили, что Бруно был первым в цепочке экспериментаторов, которые хотели найти массу нейтрино в распаде трития. Такая же ситуация сложилась с экспериментами по поиску распада μ → e+ γ. Бруно и Хинкс были первыми, кто не увидел этот процесс. С тех пор поиск этой классической реакции был повторен много раз. По сути каждая новая экспериментальная техника проходила испытание в попытке увидеть распад (5). В настоящее время его не видят на уровне вероятностей 4,2х10^-13.

После отрицательного результата по поиску распада μ → e + γ Бруно и Хинкс модернизировали установку, чтобы провести дальнейшее исследование распадов мюона и понять, какая из возможностей (6) – (8) наиболее предпочтительна. Для этого они модифицировали установку, добавили еще один годоскоп с 17 счетчиками Гейгера, добавили еще один графитовый блок, в котором мюоны останавливались, а свойства заряженной частицы определяли по ее поглощению в разных веществах. Пространная статья на 19 страницах в Physical Review [62] заканчивалась четкими выводами:

• спин мюона ½, он не является мезоном Юкавы;

• заряженная частица в распаде мюона – электрон;

• наиболее вероятно, что мюон распадается на электрон и два нейтрино.

μ → e + ν’ + ν" (17-1)

Однако теперь возник следующий вопрос – какова природа нейтральных частиц ν' и ν''? Ответ на него придет почти через двадцать лет и принесет исследователям Нобелевскую премию.

Интересно отметить, что, как вспоминал С. С. Герштейн [44], Бруно всегда называл две нейтральные частицы, рождающиеся в распаде мюона, как ν' и ν''. Он всегда думал о них как о разных частицах. Как объясняет Герштейн, связано это было с присущим Бруно стремлением к строгости в суждениях. В самом деле, в реакции рождаются две нейтральные частицы. Откуда вы знаете, что они одинаковы? Такое отношение и привело Бруно к его знаменитой гипотезе о том, что нейтрино, рождаемое с электроном, может отличаться от нейтрино, участвующего в процессах с мюоном.

Зачем я так подробно рассказываю детали этих опытов? Да просто одна из любимых тем спекуляций вокруг Бруно – какие секреты он похитил в Канаде, США, Англии и передал Советам. Естественно предположить, что по крайней мере часть этих секретов связана с тем, чем этот человек занимался на своей основной работе. Вот и надо фиксировать, что, работая в проекте Tube Alloys, целью которого было создание реактора для накопления горючего для атомной бомбы, Бруно последние годы в Канаде занимался исследованием распадов мюонов, обдумывал интересную задачу – как зарегистрировать частицу с длиной поглощения в 35 световых лет, а также делал опыт по определению массы нейтрино.

Эксперименты по физике элементарных частиц настолько поглотили Бруно, что он испытывал неловкость перед начальством за то, что в рабочее время занимается явно не тем, что должен делать сотрудник ядерного реактора.

«Мы работали в реакторной лаборатории и поэтому испытывали некоторое чувство вины, занимаясь космическими лучами. Правда, наш глава Б. Сарджент благожелательно относился к нашей деятельности. И все же я не могу забыть, как неохотно мы с Тедом тратили лабораторные средства и как были счастливы, когда Тед изобрел “пороговый усилитель”, который сэкономил много счетчиков, позволив существенно увеличить эффективность регистрации фотонов» [57].

Надо понимать, что опыты по распаду мюона являлись отнюдь не факультативными занятиями, которые проводятся на игрушечной аппаратуре в свободное от основной работы время. Масштаб исследований можно оценить по тому, что описание экспериментального оборудования и результаты опытов по распаду мюона были представлены в семи статьях в Physical Review. Набор статистики только для поиска распада (5) продолжался полгода. В реальности последние два года в Чок-Ривер Бруно был полностью поглощен изучением мюонов из космических лучей.

18. Алан Нанн Мэй

В 1945 г. произошло предательство Игоря Гузенко – шифровальщика советского посольства в Канаде. Он признался канадским властям, что был частью разведывательной сети, по которой ученые из Tube Alloys передавали атомные секреты в СССР. Коллега Бруно Алан Нанн Мэй был арестован по обвинению в передаче в СССР ядерных секретов, включая передачу образцов радиоактивных материалов. Будучи в Чикаго, он получил от Герберта Андерсона, работавшего на первом ядерном реакторе, образец урана-233. Думали, что уран-233 сможет заменить плутоний. Андерсон дал образец Мэю по дружбе, без всяких официальных разрешений. Мэй сразу же отнес образец в советское посольство.

В связи с делом Алана Мэя секретные службы Канады и Англии провели проверку всех сотрудников Tube Alloys. Бруно прошел эти проверки без каких-либо замечаний. Было установлено, что никто из сотрудников Tube Alloys, кроме Алана Мэя и фон Халбана, не был замечен в каких-либо действиях, нарушающих требования секретности. Халбана обвинили в том, что когда он был на конференции в Париже, то рассказал Жолио-Кюри новости про деление урана.

После испытания атомной бомбы требования секретности и в США, и в Канаде многократно усилились. Теперь же, после дела Мэя, выезд за границу для всех не-британцев, работающих в проекте, был и вовсе запрещен. Бруно не разрешили в 1945 г поехать в Италию, навестить родственников. Его это очень раздражало. После очередного отказа на выезд он твердо решил уйти из Чок-Ривер и стал искать подходящий контракт.

19. Харуэлл

В 1948 г. Бруно получил несколько предложений по работе. Иерусалимский университет приглашал его возглавить кафедру экспериментальной физики, Корнельский университет предлагал место доцента кафедры с окладом 7000 $ в год [6]. Но самое привлекательное предложение Бруно получил от хорошо знавшего его Дж. Кокрофта, директора только что образованной ядерной лаборатории в Харуэлле (Англия). Там началось сооружение реактора, аналогичного тому, что работал в Чок-Ривер. Помимо привычной работы со многими уже знакомыми людьми, Бруно получал бы возможность встретиться со своими родственниками. В Англии в то время жили его братья Гвидо и Джованни, сестры Анна и Лаура.

В феврале 1949 г. семья Понтекорво переехала в Англию и поселилась в небольшом городке Абингдон вблизи Харуэлла. Жили в стандартном двухэтажном коттедже без центрального отопления, зимой по утрам было довольно холодно. Соседями была семья физика Г. Зелигмана, с которым Бруно работал в Канаде. Джиль частенько выполнял роль бэбиситтера с детьми Зелигманов [36].

В Харуэлле Понтекорво продолжал заниматься реакторной физикой, но главным в его жизни уже стала физика элементарных частиц. Бруно принял активное участие в проекте по исследованию космических лучей в лаборатории в Альпах, которую открыло французское научное ведомство CNR. В сентябре 1949 г. он побывал в Италии на международной конференции по космическим лучам в Комо, провел семинар в Базеле о работах по пропорциональным счетчикам. На этой конференции Бруно встретился со своим учителем Энрико Ферми, который впервые после своего отъезда в 1938 г. вернулся в Италию. Бруно вспоминал [20], что Ферми был в очень хорошем настроении, они вместе катались по Рейну в Базеле, в перерывах конференции играли в теннис.

Естественно, в этой поездке Бруно встретился с родственниками. Впоследствии эти встречи будут поставлены ему в вину на допросах.

Интересно, что Понтекорво отнюдь не рассматривал Харуэлл как обетованное место для постоянной работы. Он всерьез думал о возвращении в Италию. В то время были вакансии профессора на кафедрах экспериментальной физики в Риме и Пизе. Бруно оформил пакет соответствующих документов для конкурсов. Физики в Пизе до сих пор сожалеют, что бумаги Бруно пришли слишком поздно и он не был допущен к конкурсу.

В Харуэлле Бруно проработал чуть больше года – в его жизнь вмешалась политика.