Рэй Джаявардхана - Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей

Рейнес знал, что при делении атомов в ходе цепной реакции возникает множество нестабильных ядер, которые, в свою очередь, подвергаются бета-распаду и испускают нейтрино. В среднем при каждом акте деления ядра должны возникать шесть нейтрино – то есть при атомном взрыве их будет действительно очень много. Как писал сам Рейнес, «сделав кое-какие вычисления и поколдовав над формулами, я пришел к выводу, что бомба является идеальным источником… но я полагал, что эту гипотезу необходимо проверить экспериментально».

Как нельзя кстати летом 1951 г. в Лос-Аламос прибыл с визитом Энрико Ферми, и Рейнес, набравшись духу, решился с ним поговорить. Ферми согласился, что атомная бомба – это действительно потрясающий источник нейтрино. Но вся загвоздка в том, что сам Рейнес не представлял, как сконструировать подходящий детектор для регистрации нейтрино при ядерных испытаниях. Поразмыслив над этой проблемой, Ферми признал, что и сам не видит такой возможности. «От Учителя я возвращался опустошенным», – вспоминал Рейнес. Его мечты об охоте на нейтрино пришлось отложить до лучших времен, а сначала придумать, как двигаться дальше.

Как говорится, не было бы счастья, да несчастье помогло. Позже, в 1951 г. Рейнес летел на самолете в Принстон, когда самолет пошел на вынужденную посадку в аэропорту Канзас-Сити из-за нехватки топлива. Вместе с Рейнесом летел Клайд Коуэн, его коллега по Лос-Аламосу. В годы войны Коуэн занимался разработкой радаров, за что был награжден медалью «Бронзовая Звезда». Затем на пособие для ветеранов войны Коуэн поступил в аспирантуру и защитил докторскую диссертацию, а в 1949 г. поступил на работу в Лос-Аламос. Итак, поневоле оказавшись в Канзасском аэропорту, двое ученых, пытаясь как-то скоротать время, бродили по зданию и беседовали. В итоге они решили совместными силами взяться за решение какой-нибудь физической проблемы, которая им обоим казалась бы нетривиальной. Рейнес предложил заняться нейтрино, Коуэн согласился. «Он знал о нейтрино не больше меня, но зато был хорошим и в меру авантюрным экспериментатором. Итак, мы ударили по рукам и решили заняться нейтрино», – рассказывает Рейнес. Далее он добавляет: «Итак, почему же мы так хотели зарегистрировать свободный нейтрино? Потому что нас все убеждали, что это невозможно. Не самое здравое решение, но сам вызов казался притягательным». Оба ученых уже имели опыт участия в грандиозных военных проектах, который, пожалуй, мог подогревать их интерес к этой отчаянной затее. «Работа над испытанием атомной бомбы научила нас мыслить масштабно, в духе “мы сможем”… [Она] всецело занимала наши мысли. Всякий раз, планируя новый проект, мы ставили перед собой самую интересную и фундаментальную цель, не особенно задумываясь о ее достижимости или практическом применении. В Лос-Аламосе мы могли рассчитывать на доступ к новейшим исследовательским технологиям… и этот факт только придавал нам уверенности».

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] 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. . 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».