Текст книги "Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей"

Рейнес и Коуэн знали, что большинство нейтрино совершенно свободно пролетают сквозь вещество. Но если таких частиц будет очень много, то хотя бы некоторые из них должны сталкиваться с атомными ядрами. Учитывая это, ученые решили заняться исследованием конкретной ядерной реакции. По теории Ферми, когда протон поглощает нейтрино, он превращается в нейтрон и испускает антиэлектрон (также называемый «позитрон»)[20]20
  На самом деле этот процесс, называемый «обратный бета-распад», заключается во взаимодействии между протоном и антинейтрино, а на выходе действительно получается нейтрон и позитрон. На тот момент Рейнес и Коуэн еще не знали, что наряду с нейтрино могут существовать и антинейтрино. – Прим. авт.


[Закрыть]. Рейнес и Коуэн знали, что при обнаружении позитрона можно будет констатировать, что в реакции участвовал нейтрино. Итак, им требовалось найти способ регистрации позитронов. К счастью, незадолго до того были открыты органические жидкости, которые сцинтиллируют (дают крошечные вспышки), когда через них проходит заряженная частица. Итак, Рейнес и Коуэн решили заполнить большой резервуар сцинтиллирующей жидкостью и оснастить его несколькими фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), которые планировалось установить на внутренних стенках сосуда. ФЭУ должны были фиксировать позитронные вспышки. Такой детектор предполагалось подвесить у устья вертикальной скважины, пробуренной в земле, всего в 40 м от вышки, на которой планировалось взорвать 20-килотонный атомный заряд. Впоследствии в своей нобелевской лекции Рейнес скажет: «Идея о том, что столь чувствительный детектор можно будет использовать в непосредственной близости… от чудовищного рукотворного взрыва, казалась довольно странной, но мы умели работать с бомбами и не сомневались, что сможем сконструировать подходящую систему».

Проект предполагал, что детектор Рейнеса и Коуэна в течение нескольких секунд сможет свободно падать в вакууме, образующемся во время распространения ударной волны. Затем сосуд мягко приземлится (у основания он снабжался толстой подушкой из поролона и пуха), а датчики зарегистрируют позитроны, излучаемые продуктами ядерного взрыва, когда в небо будет подниматься огненный гриб. Позже Коуэн составил отчет, в котором изложил их план по сбору данных после экспериментального взрыва: «Мы вернемся к шахте через несколько дней (когда поверхностная радиоактивность существенно спадет), выкопаем резервуар, достанем детектор и узнаем всю правду о нейтрино». Конечно, сегодня такая схема может показаться странной, но конструкция действительно была многообещающей, и директор лаборатории Лос-Аламос дал добро на это испытание. По воспоминаниям Рейнеса, в те годы процесс утверждения таких испытаний был незамысловат. «Жизнь тогда была проще – никаких длительных процедур рассмотрения и заумных экспертных комитетов».

Когда Рейнес и Коуэн нашли место для испытания, поручили рабочим готовить скважину и приступили к сборке детектора, их коллега Ханс Бете поинтересовался, каким образом молодые люди собираются отличать подлинные нейтрино от прочего излучения, образующегося при атомном взрыве. В поисках ответа на этот вопрос Рейнес и Коуэн смогли придумать еще более замечательный эксперимент: они решили воспользоваться в качестве источника нейтрино не атомной бомбой, а управляемым ядерным реактором. Конечно, реактор выдает за секунду гораздо меньше нейтрино, чем атомный взрыв, но количество этих частиц все равно исчисляется триллионами на квадратный сантиметр. Физики сочли, что для обнаружения нейтрино этого более чем достаточно. Действительно, требовалось подыскать надежный способ, который позволял бы отличать возникновение нейтрино от посторонних «фоновых» событий – например, от воздействия космических лучей. Рейнес и Коуэн поняли, что смогут не только зафиксировать позитрон, но и измерить свойства нейтрона, образующегося при контакте нейтрино с материей. Они знали, что позитрон столкнется с электроном в сцинтиллирующей жидкости, что практически мгновенно приведет к аннигиляции обеих частиц и даст вспышку гамма-лучей, которые зафиксируют ФЭУ. Нейтрон, в свою очередь, проскочит через жидкости по ломаной траектории, наталкиваясь на другие частицы, как пьяница в толпе. При соударении со все новыми ядрами нейтрон будет постепенно терять энергию, пока наконец не будет поглощен другим ядром. Ядро, захватившее нейтрон, избавится от избыточной энергии в виде гамма-излучения. Рейнес и Коуэн знали, что такое блуждание нейтрона обычно продолжается в течение 5 микросекунд. Таким образом, можно было отслеживать временную разбежку между двумя выбросами гамма-излучения, первый из которых вызван аннигиляцией позитрона, а второй – поглощением нейтрона. Если бы в эксперименте удалось зафиксировать такую разницу, равную точно 5 микросекундам, то это был бы несомненный признак возникновения нейтрино. В таком случае все остальные вспышки, зафиксированные детектором, Рейнес и Коуэн списали бы на обычные фоновые помехи.

Разумеется, этот новый план был гораздо практичнее и безопаснее, чем опыт с атомным взрывом. По-видимому, американские физики просто не знали об идее Понтекорво, предлагавшего использовать ядерный реактор в качестве источника нейтрино, либо забыли об этом дельном предложении. Рейнес и Коуэн изложили свой новый план поимки «скользкой частицы» в письме, адресованном Ферми. В конце концов они могли не опасаться, что кто-нибудь поймает нейтрино раньше них, так как, по замечанию Рейнеса, «в 1952 г. охота на нейтрино мало кого интересовала». Ферми одобрил их усовершенствованную стратегию: «Очевидно, описанный вами новый метод должен быть гораздо проще в реализации, а также обладает еще одним важнейшим преимуществом: измерения можно проводить столько раз, сколько потребуется».

Воодушевившись поддержкой Ферми, Рейнес и Коуэн с новыми силами взялись за дело. В 1953 г. они изготовили цилиндрический бак, вмещавший 300 л сцинтиллирующей жидкости. На стенках резервуара было установлено 90 ФЭУ. Бак был в три слоя покрыт парафином, бурой и свинцом; эти вещества экранировали рассеянные нейтроны и гамма-лучи, исходившие от реактора. Эксперимент был назван «Проект Полтергейст», так как слово «полтергейст» весьма точно характеризовало вожделенную частицу. Детектор был установлен поблизости от ядерного реактора, расположенного в городе Хэнфорд, штат Вашингтон; реактор был построен еще в годы войны и использовался для производства плутония, которым заряжали атомные бомбы. Спустя много лет Рейнес вспоминал, какое возбуждение и какую огромную усталость испытывал на заключительном этапе охоты: «В эти дни, проведенные в Хэнфорде, мы усердно работали, но в то же время теряли последние силы. На протяжении нескольких месяцев мы устанавливали и переустанавливали целые тонны свинцовых и борно-парафиновых экранирующих слоев. Работали круглыми сутками, множество хлопот возникало с грязными сцинтилляционными трубками…»

Первые признаки нейтринных сигналов удалось зафиксировать спустя несколько месяцев. Сигналы были не столь четкими, как надеялись Рейнес и Коуэн, однако их детектор регистрировал нейтрино, даже когда реактор не работал. Оказалось, что космические лучи могут давать характерные двойные вспышки, совершенно неотличимые от тех, которые ожидалось получать от взаимодействия нейтрино с материей. Однако ученые заметили, что частота таких вспышек явно возрастала при включенном реакторе, поэтому надеялись, что хотя бы некоторые из этих вспышек были вызваны нейтрино. В краткой заметке, опубликованной в журнале Physical Review, они осторожно характеризовали полученные результаты так: «Представляется вероятным, что цель [обнаружения нейтрино] достигнута, хотя необходимо провести дополнительную работу, которая бы подтвердила эту гипотезу». Позже Коуэн описывал эту ситуацию более образно: «Мы чувствовали, что вот-вот ухватим нейтрино за хвост, но к делу имеющиеся доказательства не пришьешь».

Несмотря на очень осторожный тон заметки, новости о результатах исследований просочились в СМИ. В газете The New York Times вышла статья «Команде атомщиков удалось наблюдать призрачную частицу». Журналы Scientific American и Time также опубликовали материалы на эту тему, а в пресс-релизе от организации Science Service даже делались громкие заявления, что вскоре придется переписывать учебники, так как «таинственный полтергейст современной физики наконец пойман». Когда эту новость узнал Вольфганг Паули, в те годы вновь обосновавшийся в Цюрихе, он в компании близких друзей не мешкая отправился на одну из окрестных гор, откуда открывался прекрасный вид на город, и там они устроили праздничный обед. Говорят, что позже в тот вечер ликующий Паули спускался с горы, слегка пошатываясь.

Но Рейнес и Коуэн, отличавшиеся научной въедливостью, не удовлетворились таким результатом, который был в лучшем случае предварительным. Они решили провести следующий, более выверенный эксперимент, поместив датчик рядом с новым реактором, установленным в районе Саванна-Ривер на территории штата Южная Каролина. Этот реактор был гораздо мощнее хэнфордского. Заручившись помощью нескольких коллег, они до основания переработали план эксперимента, чтобы отличать сигналы истинных нейтрино от ложных сигналов, вызванных частицами космических лучей. Кроме того, для эксперимента было подготовлено сразу несколько резервуаров со сцинтиллирующими жидкостями. Новая установка, сборка которой завершилась в конце 1955 г., весила около 10 т. Аппарат устанавливался в фундаменте здания прямо под ядерным реактором, был экранирован не только от космических лучей, но и от нейтронов, образующихся в реакторе. За несколько месяцев работы ученые записали сотни часов данных, для сравнения – при включенном и при выключенном реакторе. При включенном реакторе установка фиксировала впятеро больше пар вспышек, разделенных интервалом несколько микросекунд, чем при выключенном. К лету 1956 г., после многочисленных анализов и проверок, все члены команды уже были убеждены, что им действительно удалось обнаружить нейтрино.

Рейнес вспоминал: «Это было великолепное ощущение непосредственного участия в процессе познания. В июне 1956 г. мы решили, что пришло время сообщить о наших результатах человеку, который и начал все это, когда еще в молодости написал свое знаменитое письмо и впервые постулировал существование нейтрино». Разумеется, Рейнес говорил о Паули. Они с Коуэном послали Паули телеграмму, которая начиналась так: «Мы счастливы сообщить Вам, что определенно зарегистрировали нейтрино от фрагментов деления…» Паули получил телеграмму, как раз будучи на конференции в Женеве. Он прервал заседание и громко зачитал ее собравшимся.

На следующий день Паули ответил Рейнесу и Коуэну. В своем фирменном стиле он самодовольно отметил: «Если умеешь ждать – дождешься чего хочешь». Но телеграмма Паули в Америку не дошла. В архивах Паули сохранилась пометка секретаря о том, что ученый действительно послал такую телеграмму «ночной почтой» (отправление уходит в ночь, доставляется наутро, тарифы при этом снижены). Ответ Паули попал в точку: действительно Нобелевскому комитету потребовалось целых 40 лет, чтобы оценить открытие нейтрино. В 1995 г. Рейнес получил половину Нобелевской премии по физике. Коуэн умер за 21 год до этого, поэтому ему премия не досталась. Спустя годы после открытия Рейнес напомнил теоретику Хансу Бете, что тот еще в 1934 г. утверждал в статье, написанной совместно с Рудольфом Пайерлсом, что «наблюдать нейтрино практически невозможно». Бете шутливо ответил: «Ну разве можно верить всему, что пишут в этих статьях!»

Рейнес и Коуэн, выполнившие титаническую работу на реакторах в Хэнфорде и Саванна-Ривер, впервые смогли изловить призрачную частицу-чертенка. Они поймали нейтрино, которые могут беспрепятственно проскочить через земной шар и продолжить свой путь в глубины Вселенной. Причем они смогли это сделать при помощи очень хитроумной экспериментальной установки, воспользовавшись ядерным реактором в качестве источника нейтрино (точно как предлагал поступить Бруно Понтекорво), применив при этом совершенно иной метод, чем в проекте Понтекорво. Фантом, возникший из ничего в исстрадавшейся душе физика Паули, стал экспериментально зафиксированным феноменом материального мира, предоставив нам вполне удовлетворительное решение таинственной проблемы бета-распада, а также доказав незыблемость закона сохранения энергии. При этом подтвердились теоретические прогнозы Паули и Ферми.

С тех пор мы смогли понять, что неброские нейтрино помогают разгадать многие тайны космоса, ответить на вопросы «почему Солнце светит?» и «почему во Вселенной вообще есть материя?». Прозорливый Понтекорво первым предположил, что Солнце должно испускать огромные тучи нейтрино. Дальше нас ждет история об ученом-первопроходце, желавшем поймать внеземные нейтрино, прилетающие к нам из космических далей.

Глава 4
Подземное солнце

В начале 1950-х гг. охотой на нейтрино занимались не только Фред Рейнес и Клайд Коуэн. Рэй Дэвис, студент Йельского университета, обучавшийся физической химии, «заболел» проблемой нейтрино, однажды прочитав об этих частицах в библиотеке, и с тех пор без устали их выслеживал. Дэвис вырос в столичном Вашингтоне. Вместе с братом (он был на год и два месяца младше Рэя) они играли в уличные мальчишеские игры и плескались в реке Потомак. Отец Дэвиса, работавший фотографом в Национальном бюро стандартов США, в свое время даже не окончил школу. Однако именно он привил Рэю интерес к химическим опытам и фотографии. В молодости Дэвис хорошо стрелял из винтовки и даже получал медали за меткость, хотя позже забросил этот спорт. Мать пыталась приобщить сына к музыке, но, в отличие от Рейнеса, Дэвис пел плохо. Рэй вспоминал: «Чтобы угодить маме, я несколько лет пел в хоре, несмотря на полное отсутствие музыкального слуха».

Повзрослев, Рэй Дэвис решил посвятить себя науке, а его брат избрал военную карьеру. Дэвис окончил аспирантуру по химии в Йельском университете, затем пошел в армию и в годы Второй мировой войны служил в качестве резервиста, работая наблюдателем на испытаниях химического оружия в штате Юта. В свободное время Дэвис много гулял по окрестностям и фотографировал. После войны работал в химической компании Monsanto, где занимался исследованием радиоактивных веществ, а в 1948 г. поступил на работу в только что созданную Брукхейвенскую национальную лабораторию. Эта лаборатория была выстроена вскоре после войны на месте бывшей военной базы, расположенной на острове Лонг-Айленд. Задачи лаборатории заключались в исследовании возможностей мирного применения ядерной физики. Именно в Брукхейвене Дэвис познакомился со своей будущей женой, работавшей в биологическом отделе этого учреждения. В течение следующих 15 лет у них родилось пятеро детей. Семья Дэвисов жила на побережье, Рэй с женой своими руками собрали парусную шлюпку и впоследствии всю жизнь увлекались морскими прогулками под парусом.

Прибыв в лабораторию, Дэвис первым делом поинтересовался у начальника, чем ему предстоит здесь заниматься. Спустя десятки лет он вспоминал: «К моему удивлению и восторгу, он сказал мне идти в библиотеку и самому подыскать какую-нибудь интересную тему». Там Дэвису и попалась на глаза статья о нейтрино. Прочитав ее, молодой человек понял, что науке почти ничего не известно об этой таинственной частице, несмотря на то что Вольфганг Паули, Энрико Ферми и Бруно Понтекорво уже выполнили первые работы в этой области. Проблема нейтрино открывала широчайшие перспективы для исследователей-экспериментаторов. Более всего Дэвис заинтересовался опытом Понтекорво, в котором итальянский ученый пытался использовать в качестве детектора нейтрино большой резервуар с хлорсодержащей жидкостью. Понтекорво отмечал, что при попадании нейтрино в атом хлора этот атом превратится в радиоактивный изотоп аргона. Этот изотоп распадется с выделением радиации – поэтому его будет легко обнаружить. Учитывая большой опыт Дэвиса в области радиохимических исследований, неудивительно, что он решил взяться за эту проблему. В тот день, проведенный в брукхейвенской библиотеке, Дэвис нашел свое призвание. Он упорно шел к поставленной цели всю жизнь, хотя шансы на успех были очень невелики.

В последующие годы Дэвис занимался и другими научными вопросами. В частности, он догадался измерять возраст метеоритов (и приблизительно определять их историю) по содержащимся в метеоритах радиоактивным изотопам. Вместе с коллегой Дэвис применял методы радиометрической датировки[21]21
  Радиометрическая датировка заключается в сравнении содержания радиоактивных изотопов и продуктов их распада в породе, таким образом измеряется возраст породы. – Прим. пер.


[Закрыть], чтобы определить, сколько времени метеорит провел в космосе до падения на Землю – соответственно, как долго он подвергался воздействию космических лучей. Когда экипаж «Аполлона» доставил на Землю образцы лунного грунта, Дэвис был в группе исследователей, которые анализировали состав этих образцов. При этом произошел интересный случай. Вот что рассказывает о нем сам Дэвис: «Когда мы занимались обработкой образцов с “Аполлона-12”, один из перчаточных боксов[22]22
  Перчаточный бокс – особая герметичная камера для работы с веществами, которые должны находиться в специально подобранной искусственной атмосфере. – Прим. пер.


[Закрыть] в Хьюстоне разгерметизировался. Так мне довелось целых две недели провести в карантине вместе с астронавтами и еще несколькими невезучими учеными – пока врачи не убедились, что мы не заразились какими-нибудь лунными инфекциями». Несмотря на участие в различных научных исследованиях, Дэвис на протяжении всей жизни ничем так не интересовался, как охотой за нейтрино.

Решив впервые попытать счастья в этой охоте, Дэвис установил 3800-литровый бак с жидким безводным моющим средством (тетрахлоридом углерода) рядом с небольшим ядерным реактором, имевшимся в самой Брукхейвенской лаборатории. Дэвис знал, что нейтрино редко взаимодействуют с материей, поэтому выждал несколько недель, надеясь, что за это время вполне может произойти парочка реакций, а затем измерил объем накопившегося аргона. Результаты были неутешительными: не удалось зафиксировать никакого дополнительного аргона, кроме того, что мог образоваться в жидкости под действием космических лучей. Всякие признаки нейтрино отсутствовали. Дэвис вновь поставил такой опыт в 1955 г., на этот раз соорудив более крупную модель аппарата и установив его рядом с более мощным ядерным реактором в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина. Кстати, именно там ставили свой эксперимент и Рейнес с Коуэном. Но опять же ничего у Дэвиса не получилось. Итак, Дэвис не смог достичь успеха при помощи метода, предложенного Понтекорво, а Рейнес и Коуэн отловили изворотливую частицу уже в следующем году, применив вместо хлорсодержащего наполнителя сцинтиллирующую жидкость и ФЭУ. Но и для Дэвиса игра была далеко не окончена. Теперь, когда Рейнес и Коуэн доказали реальность нейтрино, Дэвис решил поймать те из них, которые прилетают к нам от Солнца через толщу земных пород, а не образуются в ядерных реакторах.

Дэвис знал, что нейтрино должны быть важнейшим побочным продуктом ядерных реакций, генерирующих солнечную энергию, – ведь за несколько предыдущих десятилетий астрофизики уже достаточно полно описали, как именно устроены недра нашего светила. Первую важнейшую гипотезу, пролившую свет на механизм образования солнечной энергии, выдвинул в 1920 г. британский астроном Артур Эддингтон. Он предположил, что этот механизм может быть связан с ядерными реакциями. Один из коллег Эддингтона по Кембриджу установил, что масса атома гелия чуть меньше, чем суммарная масса четырех атомов водорода. Эддингтон полагал, что, когда в ядре Солнца четыре ядра водорода в результате ядерного синтеза образуют одно ядро гелия, небольшая масса, которая «теряется» в результате, на самом деле превращается в энергию, согласно эйнштейновскому уравнению E = mc2. Конечно, догадка Эддингтона была блестящим озарением, но он не раскрыл деталей механизма подобных реакций. Кто-то еще должен был описать такую ядерную реакцию, которая, с одной стороны, обеспечивала бы наблюдаемую яркость Солнца, а с другой – не шла слишком быстро (ведь при бурных ядерных реакциях Солнце бы давно выгорело).

Ханс Бете, разносторонний физик-теоретик, работавший в Корнеллском университете города Итака, штат Нью-Йорк, взялся исследовать механизм солнечной ядерной печи. Бете родился в 1906 г. в Страсбурге, который в тот период входил в состав Германской империи, а сейчас находится на территории Франции. Отец Бете был врачом, а мать – талантливым музыкантом, пока практически не потеряла слух, переболев гриппом. Вероятно, в результате болезни она страдала от приступов депрессии, и родители Бете в конце концов развелись. С четырех лет Ханс увлекался числами, а в возрасте четырнадцати самостоятельно освоил математический анализ. Кроме того, он рано научился грамоте и исписывал тетрадки собственными сочинениями. Правда, в детстве у Бете была странная привычка: он писал одну строку слева направо, а вторую – справа налево (именно таким письмом пользовались древние греки в VII в. до н. э.). К моменту окончания средней школы Бете уже гораздо больше интересовался физикой, чем математикой, так как математика, на его взгляд, «доказывает очевидные вещи». Проучившись два года в университете Франкфурта-на-Майне, Бете отправился в Мюнхен, где собирался продолжить образование под руководством харизматичного Арнольда Зоммерфельда (подобно Вольфгангу Паули, прибывшему в Мюнхен несколькими годами ранее).

Бете проявил исключительный талант к теоретической физике, с отличием окончив аспирантуру. Часть следующего года он провел в Риме, работая под началом Ферми, которым восхищался. В письме к своему бывшему научному руководителю Зоммерфельду Бете отмечал: «Бесспорно, величайшее чудо Рима – это Ферми. Невозможно описать, как он мгновенно находит решение для любой поставленной перед ним задачи». Ферми научил Бете быстро делать глубокие выводы из ориентировочных расчетов – такой подход к физике казался гораздо менее формалистичным, чем методы Зоммерфельда, усвоенные в Мюнхене.

Бете вернулся в Германию в 1932 г., получив место преподавателя в университете, но потерял работу год спустя, так как его мать была еврейкой, а Гитлер ввел расистские законы, не позволявшие евреям занимать государственные должности. Подобно многим другим ученым еврейского происхождения, Бете вскоре оказался в Америке, где стал профессором Корнеллского университета. Здесь он превосходно чувствовал себя в атмосфере научной взаимопомощи и продолжал исследования в области ядерной физики. В этот период Бете совершил поступок, который возмутил многих его коллег: разорвал помолвку с Хильдой Леви, с которой познакомился еще во Франкфурте. За долгие годы знакомства Ханс и Хильда стали очень близки. Причиной разрыва стали яростные претензии матери Хильды, причем скандал разразился всего за несколько дней до свадьбы. Друг Леви, великий датский физик Нильс Бор, был настолько обескуражен, что много лет избегал Бете.

В начале 1938 г. Бете и Чарльз Критчфилд, который тогда был аспирантом Университета Джорджа Вашингтона, изучали цепочку ядерных реакций, которая сегодня называется «протон-протонный цикл». Такой цикл – один из путей превращения водорода в гелий в звездных недрах, сопровождающийся высвобождением энергии. Бете и Критчфилд вычислили частоту, с которой происходят акты синтеза двух протонов, преодолевающих взаимное электрическое отталкивание. В результате образуется дейтрон – слабо связанное ядро, состоящее из протона и нейтрона. Когда один из участвующих в реакции протонов превращается в нейтрон, он испускает позитрон и нейтрино. Исследователи установили, что вскоре дейтрон захватывает еще один протон и превращается в ядро гелия-3. На заключительном этапе цикла два ядра гелия-3 сливаются в стабильное ядро гелия-4 и при этом испускают два протона. В сущности, Бете и Критчфилд открыли цепную ядерную реакцию, в ходе которой четыре протона (то есть четыре ядра водорода) превращаются в одно ядро гелия-4, излучая при этом фотоны (энергию), позитроны и нейтрино. В такой картине позитроны и электроны должны аннигилировать, с образованием высокоэнергетических гамма-лучей. Фотоны этих гамма-лучей пробьют себе путь из глубин Солнца, преодолевая слой за слоем, и через сотни тысяч лет достигнут поверхности звезды. К тому времени фотоны потеряют львиную долю своей энергии, превратившись в видимый свет. Нейтрино, в свою очередь, должны беспрепятственно ускользать с Солнца и достигать Земли примерно через восемь минут, поскольку они движутся практически со скоростью света.

Протон-протонный цикл ядерных реакций, при котором в ядре Солнца гелий превращается в водород. В ходе цикла выделяются гамма-лучи и образуются нейтрино

Однако Бете и Критчфилд располагали недостаточно точными данными о температуре в ядре Солнца. Выведенная ими оценка скорости образования частиц оказалась гораздо выше, чем фактическая «производительность» Солнца. Но в марте 1938 г. Бете, будучи на научном собрании в Вашингтоне, узнал замечательные новости: оказалось, что, по последним расчетам астрофизиков, температура в недрах Солнца должна быть гораздо ниже, чем предполагалось ранее. Бете понял, что при новой оценке температуры его расчеты гораздо лучше согласуются с наблюдениями, и решил исследовать все различные варианты превращения водорода в гелий, происходящего в глубине звезд.

Вооружившись лишь ручкой и бумагой, Бете открыл альтернативную цепную реакцию, которая сегодня называется «CNO-цикл». «CNO» – химические символы углерода, азота и кислорода. Эта реакция хорошо вписывалась в наблюдаемую картину. Позже Бете вспоминал: «Рассказывают, что я догадался об углеродном цикле, когда ехал домой из Вашингтона на поезде. Это не так. Но, вернувшись в Итаку, я действительно стал размышлять о том, как образуется энергия в массивных звездах». Не прошло и двух недель после окончания конференции в Вашингтоне, как Бете уже разработал этот цикл в деталях. Цикл начинается с атома углерода, поглощающего ряд протонов (иными словами, ядер водорода). В результате углерод превращается в азот, а азот – в кислород. Ядро кислорода, в свою очередь, испускает ядро гелия, в результате чего кислород вновь становится углеродом. Этот способ превращения водорода в гелий, сопровождающийся выделением энергии, очень изящен, причем углерод в данном случае играет роль катализатора. В ходе ядерных реакций, состоящих из CNO-циклов, также образуются нейтроны. Вся проблема заключается в том, что для устойчивого CNO-цикла требуются температуры выше 20 млн градусов. Таким образом, он описывает образование энергии в более массивных и горячих звездах, чем Солнце. Бете заключил, что сияние звезд-гигантов обусловлено CNO-циклом, а такие звезды, как Солнце, светят благодаря протонно-протонному циклу.

Если теория Бете об образовании солнечной энергии была верна, то Солнце должно было представлять собой обильный источник нейтрино. Но в статье «Источники энергии звезд» (Energy Production in Stars), опубликованной в 1939 г., Бете не упомянул, что для проверки этой теории можно было бы попытаться отловить солнечные нейтрино. В тот период нейтрино еще воспринимались как теоретический конструкт, поэтому неудивительно, что Бете предпочел о них умолчать. Даже в пророческом докладе Понтекорво от 1946 г. солнечные нейтрино упоминаются лишь вскользь. Однако возможность заглянуть в недра Солнца, изучив солнечные нейтрино, распалила любопытство Рэя Дэвиса.

На самом деле Дэвис пытался обнаружить солнечные нейтрино еще в ходе эксперимента, поставленного в Брукхейвене. Детектор, который он использовал, и близко не обладал чувствительностью, которая для этого требовалась, однако Дэвис вычислил ориентировочное максимальное количество нейтрино, ежесекундно прилетающих к нам от Солнца, и указал эти данные в своей публикации. Один физик решительно отверг предложенную Дэвисом оценку, заявив: «Не могу себе представить научную статью, автор которой описал бы такой эксперимент: физик забирается на гору, оттуда пытается дотянуться рукой до Луны. Ему это не удается, из чего физик делает вывод, что расстояние от вершины до Луны больше двух с половиной метров». Такой скепсис не смутил отважного экспериментатора. Да, первый опыт Дэвиса был очень малым шагом, но тем не менее очень важным.

Самая большая сложность, с которой столкнулся Дэвис, заключалась в следующем: большинство нейтрино, образующихся в ходе протон-протонного цикла, обладали слишком малой энергией, поэтому не могли достаточно сильно ударить атом хлора и превратить его в аргон. Таким образом, обнаружить их в эксперименте Дэвиса было невозможно. Однако Дэвис не оставлял надежды, полагая, что не все нейтрино одинаковы и некоторые должны обладать достаточной энергией, чтобы детектор на них отреагировал. В частности, он знал, что время от времени третий этап протон-протонного цикла протекает «не по правилам»: вместо столкновения двух ядер гелия-3 (с образованием гелия-4) происходит столкновение гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется бериллий-7. В свою очередь, бериллий-7 может прореагировать с протоном и стать бором-8. Изотоп бор 8 нестабилен; он распадается в бериллий-8 и при этом испускает позитрон и нейтрино. Именно такой нейтрино должен обладать достаточной энергией, чтобы его можно было зафиксировать в эксперименте Дэвиса. К радости Дэвиса, в 1958 г. физики из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне установили, что такая альтернативная реакция происходит в тысячу раз чаще, чем предполагалось ранее. Двое астрофизиков – Вилли Фаулер из Калифорнийского технологического института и Аластер Кэмерон, в тот период работавший в канадской лаборатории на реке Чок-Ривер, – осознали всю важность этого открытия для отслеживания солнечных нейтрино и предупредили Дэвиса, что его шансы на успех возросли.

Воодушевившись добрыми новостями, Дэвис в конце 1959 г. вновь решил поохотиться на солнечные нейтрино. На этот раз он установил детектор в известняковой шахте Барбетон в штате Огайо. Глубина шахты составляла более 700 м, поэтому Дэвис рассчитывал, что ему удастся избавиться от надоедливых космических лучей, которые в иных условиях перекрывали сигналы нейтрино. Первые оценки Дэвиса относительно разрешающей способности этого эксперимента были скорее оптимистическими: Дэвис полагал, что сможет ежедневно регистрировать хотя бы несколько солнечных нейтрино. Но ему предстояло испытать еще одно разочарование: проверив детектор, он не нашел никаких следов неуловимых солнечных посланцев. Вскоре после этого Дэвису довелось узнать и о другом неприятном факте. По данным ученых из лаборатории ВМС, синтез бериллия-7 был достаточно простой реакцией. Однако другие исследователи обнаружили, что следующий этап реакции – превращение бериллия-7 в бор-8 (с поглощением протона) – случается гораздо реже. Таким образом, количество высокоэнергетических солнечных нейтрино должно быть очень низким, и эксперимент Дэвиса не позволяет их зарегистрировать. В 1960 г. Фред Рейнес резюмировал ситуацию так: «Даже при опыте с огромными детекторами, содержащими тысячи или сотни тысяч галлонов[23]23
  Американский галлон – мера жидкости, равная 3,78 л. – Прим. пер.


[Закрыть] [тетрахлорида углерода], вероятность успеха столь невелика, что, пожалуй, экспериментаторам стоит оставить такие попытки». Большинству физиков ситуация казалась безнадежной. Некоторые ученые, не столь упорные, как Дэвис, просто решили смириться и заняться чем-нибудь другим. Однако Дэвис решил провести более масштабный эксперимент, увеличив свою установку в 100 раз. Новый резервуар был сравним по объему с олимпийским плавательным бассейном. Соответственно, такой детектор был гораздо чувствительнее предыдущих моделей.