Èç îáëàñòè ñåíñàöèîííûõ îòêðûòèé
О наблюдениях
Сеть высокочувствительных радиотелескопов NASA's Deep Space Network обычно используется для мониторинга удалённых космических аппаратов. Именно эти телескопы использовали астрономы для того, чтобы попытаться поймать лунные нейтрино.
Чтобы быть уверенным, что возможный сигнал не является артефактом и не приходит от какого-нибудь близкого источника, учёные использовали два телескопа, расположенные на расстоянии 20 километров друг от друга. Измеряя разность времён прихода импульсов можно определить, что сигнал пришёл именно от Луны.
"Длительность импульсов, которые мы ищем, составляет около наносекунды," - объясняет Saltzberg. В зависимости от положения Луны на небе задержка между двумя телескопами составляет от 70 до 200 микросекунд, т.е. более чем в 100000 раз превышает длительность импульса.
В случае обнаружения импульсов, точность определения координат источника была не очень хорошей и потребовались бы дополнительные наблюдения. Но, возможно, более важным стала бы возможность определения количества приходящих нейтрино, что дало бы учёным возможность определить количество источников высоко-энергичных нейтрино во Вселенной.
Нейтрино повсюду!
Более миллиарда нейтрино полетит сквозь Ваше тело, пока Вы читаете это предложение.
Подавляющее большинство нейтрино представляют собой остатки от Большого Взрыва, некоторые генерируются в близких звёздах, типа нашего Солнца. Некоторые нейтрино образуются, когда космические лучи врезаются в земную атмосферу. Только эти, низко энергичные нейтрино, были обнаружены к настоящему времени.
Зная, что самые энергичные нейтрино не могут проходить сквоз вещество так же, как их менее энергичные собратья, учёные в течение небольшого времени использовали сеть радиотелескопов NASA's Deep Space Network (идея впервые была предложена в 1988 году Игорем Железных) для поиска следствий столкновения нейтрино с Луной. Исследователи ожидали, что при этих столкновениях могут возникать короткие импульсы микроволнового излучения, которые могли быть обнаружими с Земли.
Gorham и Saltzberg изложили свою идею и результаты первых наблюдений в ещё не опубликованной научной статье. Пока эти наблюдения, ограниченные только 30 часами в течение прошлого года, не показывают каких-либо признаков нейтрино. Но даже этот отрицательный результат исключает некоторые очень экзотические космологические модели, разработанные другими учёными при предположении, что сверх-энергичные нейтрино существуют.
Можно сказать, что чем дольше учёные не находят что-то, тем больше они узнают.
Другие учёные, исследующие нейтрино обычными средствами, приветствуют новый и недорогой лунный телескоп. "Так как это сравнительно дёшево, то это - стоящая попытка," - говорит Trevor C. Weekes (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), пионер астрофизики высоких энергий. Но Weekes, который не участвует в этом проекте, считает, что даже если бы лунные нейтрино были обнаружены, то "это было бы неоднозначно и потребовало бы подтверждения обычными нейтринными детекторами".
Одно или два нейтрино?
Итак, существование двух типов нейтрино означало бы, что нейтрино, участвующие в разных реакциях совместно с электроном (электронные нейтрино Нейтриноe), отличаются от нейтрино, участвующих в реакциях совместно с мюоном (мюонные нейтрино Нейтриноµ). В частности, нейтрино, испускаемые в процессе бета-распада (Нейтриноe), отличаются от нейтрино, испускаемых в распадах пиона (Нейтриноµ).
Но как можно показать, что эти частицы действительно отличаются друг от друга?
Если вы внимательно следили за принципом описанного выше опыта, в котором было сказано, что нейтрино и антинейтрино - разные частицы, то вы поймете, как можно решить проблему различия мюонных и электронных нейтрино.
Действительно, логические аргументы, позволяющие доказать отличие Нейтрино от Антинейтрино и Нейтриноe от Нейтриноµ, очень близки.
Из сказанного выше ясно, что мощные синхрофазотроны должны быть источниками мюонных нейтрино. Рассмотрим сейчас некоторые реакции, которые могут быть вызваны этими частицами, например,
Антинейтриноµ+p=n+µ+,
или
Антинейтриноµ+p=n+e+,
Если вы помните, процесс
Антинейтриноµ+p=n+e+,
был обнаружен при помощи электронных антинейтрино, испускаемых реактором. Отсюда ясно, что исследование приведенных выше реакций послужит однозначной проверкой гипотезы о различии Нейтриноe и Нейтриноµ. Первая реакция будет идти наверняка. Что же касается второй, то она будет наблюдаться, если Нейтриноe и Нейтриноµ - одно и то же, а если Нейтриноe и Нейтриноµ - разные частицы, реакция не произойдет. Иными словами, опыт должен выяснить вопрос о том, могут ли мюонные нейтрино от ускорителя вызывать реакцию с испусканием электронов.
Такой опыт был только что выполнен группой американских физиков, в том числе известными учеными Ледерманом, Шварцем и Штейнбергером, и находился в центре внимания Международной конференции по физике высоких энергий, проходившей в Женеве летом 1962 г. Результат опыта гласил: да, мюонные и электронные нейтрино - разные частицы.
Эксперимент происходил так. Пучок мюонных нейтрино с энергией порядка миллиарда электронвольт от синхрофазотрона, ускоряющего протоны до энергии 15 миллиардов электронвольт, фильтровался через 13-метровую толщу чугуна, поглощающую все другие частицы, кроме нейтрино. Нейтрино, конечно, проникает сквозь эту толщу так же беспрепятственно, как лучи солнца сквозь окошко. Эффекты, вызываемые нейтрино, регистрировались в так называемой искровой камере - приборе, который показывает треки проходящих через него электрически заряженных частиц в виде следов искр. Конечно, в искровой камере регистрировались не сами нейтрино: были зафиксированы заряженные продукты взаимодействия нейтрино с материалом камеры, которая служила "мишенью" для нейтрино. Камера весила 10 тонн, основным ее материалом был алюминий в виде пластин толщиной около 2 сантиметров.
Более 100 тысяч миллиардов мюонных нейтрино прошло через камеру, а зарегистрировано было только 51 взаимодействие. И при этих взаимодействиях образовывались не электроны, а мюоны.
Мы уже убедились раньше, что нейтрино (в частности, мюонное нейтрино) поляризовано и характеризуется определенным знаком "спиральности". Теперь, после этого эксперимента, можно утверждать, что "спиральность" - не единственный заряд мюонного нейтрино. У этой частицы, как и у мюона, есть еще одна внутренняя характеристика - "мюонный" заряд. На вопрос о том, какова природа этого заряда, пока нельзя ответить.
В настоящее время физики пытаются понять до конца, что означает существование двух нейтрино для теории слабого взаимодействия
Как физики-экспериментаторы "поймали" нейтрино
Поймать неуловимое, зафиксировать эффект, вызванный свободным нейтрино, - вот что было необходимо для окончательного доказательства существования этой таинственной частицы.
Сложность задачи объяснялась колоссальной проникающей способностью, которая ожидалась для нейтрино. Откровенно говоря, об этом не было достаточно конкретно сказано в начале нашей статьи, чтобы не вызвать у читателя полного недоверия. Но сейчас речь пойдет об опытах, которые позволили "поймать" нейтрино и доказали, что оно действительно обладает теоретически приписанными ему удивительными свойствами. И теперь можно сказать, что нейтрино могут беспрепятственно проникать, скажем, сквозь чугунную плиту, толщина которой в миллиарды раз превышает расстояние от Земли до Солнца!
Иными словами, через километровую толщину твердого вещества надо пропустить миллион миллиардов нейтрино, чтобы хоть одно из них могло вызвать какой-нибудь эффект.
И все же эта, казалось бы, неразрешимая задача была решена. Понятно, что пропускать одно нейтрино сквозь астрономическую толщину вещества, чтобы оно с большой вероятностью прореагировало, - это нереально. Более практично пропускать астрономическое число нейтрино через разумную, скажем метровую, толщину жидкого или твердого вещества.
Здесь помогло бурное развитие нейтронной физики, связанное с открытием и техническим освоением атомной энергии.
Известно, какое огромное значение в науке и практике имеют ядерные реакторы - устройства, в которых совершается деление ядер урана нейтронами. В каждом акте деления образуется несколько бета-радиоактивных ядер. И если справедлива гипотеза о существовании нейтрино, то в распадах таких ядер нейтроны должны испытывать превращения согласно знакомой нам схеме:
n=p+е-+Антинейтрино
Значит, мощные реакторы должны быть интенсивными источниками антинейтрино.
В качестве примера рассмотрим атомный реактор мощностью 300 тысяч киловатт. Это очень большая мощность. Каждую секунду такой реактор испускает около 5•1019 т.е. больше 10 миллиардов миллиардов антинейтрино. И все же уловить "проскальзывающие" частицы и здесь крайне трудно. О попытке зафиксировать нагрев вещества под действием нейтрино не может быть и речи. Для того чтобы, скажем, половина энергии, переносимой этим потоком частиц, освобождалась в виде тепла, необходим поглотитель массой 1060 тонн, что неизмеримо превышает массу Солнца.
Зато регистрация отдельных событий, вызванных антинейтрино, возможна. Физики предсказали любопытный ядерный процесс, который, несомненно, может быть вызван нейтрино и антинейтрино, если они существуют, - процесс, обратный бета-распаду.
Представьте себе, что антинейтрино встречается с протоном - ядром атома водорода. Что произойдет при этом? Теория утверждает: будут случаи, когда антинейтрино и протон превратятся в позитрон и нейтрон:
Антинейтрино+p=n+е+.
Вероятность этого процесса можно хорошо рассчитать. А регистрируя его в эксперименте, можно одновременно проверить гипотезу существования нейтрино.
Разумеется, для эксперимента необходим очень мощный источник "неуловимых" частиц. Но упоминавшийся нами реактор мощностью в 300 тысяч киловатт вполне пригоден для этой цели. На расстоянии 10 метров от него ожидаемый поток антинейтрино через каждый квадратный сантиметр составит примерно 1013 частиц в секунду. Такой поток антинейтрино, бомбардирующих тонну содержащего водород вещества (иначе говоря, запас протонов), по расчету должен каждый час вызывать около 100 превращений протонов в нейтроны.
И это предвидение сбылось. Оно подтвердилось в блестящем опыте, законченном в 1957 г. американскими физиками Райнесом и Коуэном. Антинейтрино попадали в огромный сцинтилляционный счетчик - цистерну с содержащим водород веществом, способным испускать вспышку света (сцинтилляцию), когда сквозь него проходит электрически заряженная частица. Каждую такую вспышку регистрировали фотоэлементы.
Эксперимент проходил так. Как только протон, которому выпала крайне редкая судьба встретиться с антинейтрино, превращался в нейтрон и позитрон, последний давал вспышку и регистрировался фотоэлементами. Через некоторое время нейтрон замедлялся и, когда он становился совсем медленным, захватывался одним из ядер атомов вещества счетчика. При этом рождались кванты электромагнитного излучения, которые регистрировались в том же сцинтилляторе. Таким образом, каждое взаимодействие антинейтрино с протоном влекло за собой две вспышки света. Одна из них фиксировалась сразу же, а другая - с некоторой задержкой.
Опыт был необычайно трудным. Достаточно сказать, что объем сцинтиллятора примерно в тысячу раз превышал обычный объем подобных устройств, используемых в исследовательских работах по ядерной физике. Это было вызвано тем, что благодаря "инертности" антинейтрино меньший объем прибора привел бы к очень незначительному числу регистрируемых событий.
Подготовка и выполнение этого уникального эксперимента потребовали более пяти лет.
Так "вор энергии" был, наконец, пойман. Он занимает сейчас прочное место в семье фундаментальных кирпичиков материи.
От всех других элементарных частиц нейтрино отличается чрезвычайно слабым взаимодействием с ними. Это объясняет и астрономическую проникающую способность нейтрино. Такое слабое взаимодействие могут испытывать и все другие элементарные частицы. Однако последние, кроме слабых взаимодействий, испытывают и иные, несравнимо более сильные, так что их проникающая способность измеряется, скажем, только десятками сантиметров чугуна.
Нейтрино уникально тем, что у него только слабое взаимодействие, чистейшим представителем которого оно является.