НЕЙТРИНО
Познакомимся с героем нашей повести - замечательным представителем семьи элементарных частиц.
Имя - нейтрино. Масса - исчезающе мала. Заряд - отсутствует. В электромагнитных, и ядерных взаимодействиях - не участвует. Особые приметы - чрезвычайно низкая вероятность взаимодействия с веществом; незаурядная даже для элементарных частиц проникающая способность. Из миллиарда нейтрино с энергией несколько миллиардов электрон-вольт, пронзающих Землю, тишь одно поглотится в ней.
Все ли верно в этой своеобразной анкете? Откуда у нейтрино такая пробивная сила? Казалось бы, что стоит задержать частицу исчезающе малой массы? Ее остановит любая преграда! Отсутствие, заряда, неучастие в различных взаимодействиях здесь только на руку - ничто не отвратит частицу ог попадания в уготованную мишень. Если бы еще заставить нейтрино, как-то сигнализировать о собственной поимке.
Но вникнем в дело поглубже. Остановиться - это значит лишиться энергии. Чтобы дать сигнал о своем прибытии, тоже нужно израсходовать определенную энергию. В камере Вильсона частицы тратят ее на ионизацию атомов газа, вокруг которых растут капельки тумана, в сцинтилляционных счетчиках - на свечение ионизации, в черенковских - на черенковское излучение. Тем и обнаруживают себя частицы.
Во всех этих процессах физик увидит проявления электромагнитных сил. А их нейтрино не чувствует, и само их оказывать не способно. Вот и получается, что у него нет возможности потратить свою энергию. Спокойно проходит оно сквозь строй атомов, «з которых состоит любой счетчик, - ни ему к ним, ни им к нему не за, что прицепиться.
Даже ударившись в ядро, нейтрино не сцепится с ним мощными ядерными силами, накрепко склеивающими протоны, и нейтроны, - и этим силам чуждо нейтрино. Скорее всего оно просто прошьет ядро насквозь, не вступив ни в, какую реакцию ведь чрезвычайно низкая вероятность взаимодействия с веществом - его «особая примета». Недаром, основное взаимодействие, в котором участвует нейтрино, физики называют слабым. Вот откуда пробивная сила!
Это достоинство могло бы сделать нейтрино лучшим гонцом в природе. Беспрепятственно проникнет оно к нам оттуда, откуда не доходят ни свет, ни радиоволны, - даже из недр далеких звезд, и поведает о многих тайнах мироздания. Но, с другой стороны, что же это за гонец, которого никакие остановишь, не заставишь доложить о прибытии, выложить принесенную информацию? Причина все та же - очень низкая вероятность взаимодействия с веществом.
Но все-таки она существует!
В течение последних десяти лет группа американских исследователей под руководством Р. Дэвиса отрабатывала и совершенствовала методику поимки нейтрино, испускаемых Солнцем. Ученые надеялись, что солнечные нейтрино - поддайся они регистрации - расскажут, что происходит в сердцевине нашего светила, ранее недоступной наблюдениям.
ГИПОТЕЗА ПАУЛИ
Общеизвестны примеры удивительных открытии, сделанных на «кончике пера». Пытаясь объяснить аномалии в движении планеты Уран, Леверье, и Адамс предположили существование новой планеты, впоследствии обнаруженной в указанном месте и названной Нептуном. Составив периодическую систему элементов, Менделеев предсказал несколько неизвестных в те времена элементов, соответствующих незаполненным клеткам таблицы, и описал их свойства.
Нейтрино - пример такою же открытия. Новая частица впервые появилась в ядерной физике в тридцатых годах нашего века, как средство согласовать эксперименты исследователей радиоактивности с ее теорией, принятой в то время.
Одним из наиболее известных ядерных превращений является так называемый бета-распад, открытый еще на рубеже нашего столетия. Нейтрон ядра самопроизвольно распадается на протон и электрон; отрицательно заряженный электрон вылетает, а протон остается в ядре. От замены нейтрона на протон заряд ядра увеличивается на единицу (природа этого превращения выяснилась гораздо позже открытия радиоактивности).
Теория предписывает продуктам двух частичного распада строго определенные значения импульса, и энергии. Но точные измерения показывали, что электроны бета-распада строго определенной энергии не имеют. Физикам стало ясно, что они столкнулись с чем-то загадочным. Было высказано предположение (Н. Бор, 1932), что закон сохранения энергии не является абсолютным законом природы, и в ядерных процессах может нарушаться.
В то время ученые еще не могли удовлетворительно объяснить происхождение звездной энергии. И Бор предположил, что звезды светят вследствие самопроизвольного возникновения энергии в их центрах. Бор оказался неправ. Но, как выяснилось, процессы бета-распада имеют самое прямое отношение к энергии звезд.
Чтобы не нарушать законы сохранения, В. Паули (1933) предложил необычную идею о существовании новой неуловимой частицы, также испускаемой при бета-распаде. Предполагалось, что новая частица нейтральна, что ее масса исчезающе мала, но она уносит с собою определенную энергию. Эта гипотеза позволила объяснить все характерные черты бета-распада, не нарушая законов физики.
Нейтрино - так окрестили гипотетическую частицу.
ТЕОРИЯ ФЕРМИ
Использовав гипотезу нейтрино, Э. Ферми создал теорию бета-распада (1933). В этой теории бета-распад рассматривается, как реакция, в которой нейтрон распадается на протон, электрон, и антинейтрино (антинейтрино - это античастица, соответствующая нейтрино).
Когда на основе теории, созданной Ферми, была рассчитана вероятность реакций нейтрино с веществом, то оказалось, что эта вероятность чрезвычайно мала. Например, при прохождении сквозь Землю нейтрино, имеющего характерную для бета-распада энергию в несколько Мэв, вероятность взаимодействия составляет около 10-9 из миллиарда частиц лишь одна поглотится в Земле.
Паули говорил, что совершил грех - предсказал частицу,-которая никогда не будет обнаружена. И дело здесь не только в том, что ничтожно мала вероятность взаимодействия нейтрино с веществом, из, какого ни делай счетчики, и мишени для неуловимой частицы.
Даже если эта вероятность, и осуществится - о происшедшем взаимодействии узнать нелегко. Ведь, как оно происходит? Нейтрино соединяется с нейтроном, нейтрон превращается в протон, и излучает электрон. Ни один из продуктов реакции не проявляет себя в явном виде. Протон продолжает находиться в связанном состоянии внутри ядра, а свободные электроны практически неотличимы от свободных электронов детектора.
Обнаружить, и поймать нейтрино нелегко. Но именно это, и позволяет ему сыграть блестящую роль в познании тайн Вселенной.
ЭНЕРГИЯ ЗВЕЗД
Происхождение звездной энергии всегда интересовало физиков. Однако долгое время найти ее источник не удавалось. Вечной загадкой для науки оставался неизменный свет далеких звезд, неистощимое тепло Солнца.
Когда-то предполагалось, что Солнце разогревают метеориты, непрерывно падающие на его поверхность. Позже возникло мнение, что источник солнечной энергии - непрерывное сжатие Солнца (Гельмгольц, Кельвин). Сжатие звездного вещества действительно может являться эффективным источником энергии на ранних стадиях эволюции звезды, но, как выяснилось, оно совершенно недостаточно для равномерного «горения». Солнца в течение миллиардов лет.
(Здесь, правда, стоит отметить, что, по современным представлениям, звезды с массой, большей 1,4 массы Солнца, на последнем этане своей эволюции катастрофически сжимаются - коллапсируют - под действием сил притяжения. При коллапсе выделяется огромное количество энергии - большее, чем это возможно при любых термоядерных реакциях. Но это происходит на последнем этапе эволюции. К светимости Солнца гравитационное сжатие отношения не имеет.)
В настоящее время общепризнано, что основным источником звездной энергии являются термоядерные реакции, при которых происходит превращение легких элементов в тяжелые, сопровождаемое выделением энергии. Однако подтвердить эту гипотезу, выдвинутую А. Эддингтоном в 1920 году, очень трудно - даже на примере самой близкой к нам звезды, Солнца. Трудность, состоит в том, что термоядерная «печь», работающая при температуре свыше десяти миллионов градусов, расположена в центре Солнца, и окружена огромной массой более холодного, непрозрачного для света вещества. От центра Солнца до его поверхности выделившаяся энергия просачивается около десяти миллионов лет. Разнообразная аппаратура, которой располагают современные астрономы, регистрирует лишь излучения и частицы, испускаемые наружным слоем Солнца с температурой всего около 6 000 градусов. Те, что рождаются в центре Солнца, интенсивно рассеиваются, и поглощаются. Чтобы центр Солнца стал доступен для наблюдения, необходимы частицы, которые бы слабо взаимодействовали с веществом.
Но ведь именно слабое взаимодействие с веществом и является одним из основных свойств нейтрино! Всепроникающая частица обещает прояснить немало подробностей строения, и эволюции звезд.
ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Обычно предполагают, что наиболее распространенным элементом в начале эволюции Вселенной был водород. При определенных условиях водород Вселенной собирается в облака, достаточно плотные, чтобы сжиматься под действием сил притяжения. Сжатие сопровождается ростом давления и температуры образующейся звезды.
Когда температура в центре звезды станет настолько высокой, что «зажгутся» ядерные реакции, давление внутри звезды еще больше возрастет, и остановит дальнейшее сжатие. Звезда спокойно горит. При этом ядра водорода соединяются и образуют ядра гелия.
После выгорания большей части водорода звезда продолжает сжиматься под действием гравитационных сил. Это приводит к дальнейшему повышению температуры в центре звезды. Сжатие останавливается, когда температура повысится настолько, что ядра гелия начнут сливаться в ядра углерода, кислорода, неона. При дальнейшем повышении температуры - примерно до миллиарда градусов - синтезируются более тяжелые ядра, вплоть до кальция. При температуре около четырех миллиардов градусов образуются ядра элементов с атомными весами 50 - 60 (хром, железо, и т. п.).
Предполагается, что ядра более тяжелых элементов образуются позже - при взрыве, в результате которого звезда вспыхивает, как сверхновая и часть ее оболочки разбрасывается по межзвездному пространству. Считается, что Солнце находится в первой стадии звездной эволюции. На этой стадии четыре протона соединяются, и образуют ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Кроме того, образуются два позитрона, два нейтрино, и выделяется 25 Мэв энергии, которая и поддерживает светимость Солнца.
Большая часть солнечной энергии, просочившись сквозь толщу Солнца, испускается в виде электромагнитного излучения. Около 3% выделяющейся энергии уносится нейтрино. Их поток таков, что на один квадратный сантиметр земной поверхности падает около ста миллиардов солнечных нейтрино в секунду. (Интересно отметить, что на определенных поздних стадиях эволюции звезд большая часть звездной энергии может выделяться именно в форме нейтрино, а не электромагнитного излучения).
Солнце для нейтрино не менее прозрачно, чем межзвездная среда для электромагнитного излучения. Нейтрино, образующиеся в недрах Солнца, свободно проходят до его поверхности. В ходе, каких же термоядерных реакций они образуются?
СОЛНЕЧНЫЕ НЕЙТРИНО
Предполагается, что солнечная энергия может выделяться в ходе двух различных цепочек реакций (см. рис. 1) - так называемого водородного, и углеродного циклов (Бете, Вайцзекер, 1938 - 1939). Соотношение вкладов, вносимых ими в энергетический баланс светила, зависит от температуры и плотности в центральной части Солнца.
Нейтрино образуются в трех реакциях водородного цикла в самой первой реакции протона с протоном (рр-реакции), в которой выделяется энергия 0,42 Мэв, - часть ее уносится нейтрино, причем максимум нейтринного спектра расположен в районе 0,2 Мэв; при соединении бериллия с электроном во второй ветви водородного цикла, когда образуются нейтрино со строго определенной энергией 0,861, и 0,383 Мэв (монохроматические нейтрино); наконец, при распаде бора в третьей ветви цикла (см. рис. 2).
Энергетический эффект последней реакции оценивается в 14,06 Мэв. Чем выше энергия нейтрино, тем больше вероятность его взаимодействия с веществом. Именно поэтому проще всего детектировать нейтрино от распада бора, хотя интенсивность их потока значительно меньше интенсивности нейтрино от рр-реакции.
Каждой реакции с образованием позитрона соответствует реакция с захватом электрона. Поэтому, например, кроме указанных трех реакций водородного цикла с образованием нейтрино, существуют сто две реакции, в которых образуются нейтрино строго определенной энергии. Это так называемая рер-реакция, в которой два протона и электрон превращаются в дейтрон, и нейтрино с энергией 1,44 Мэв, и реакция, в которой атом бора, соединившись с электроном, переходит в возбужденное состояние, и излучает нейтрино с энергией 15,08 Мэв (на рис. 2 эти нейтрино не представлены, так, как их интенсивность слишком мала).
РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРИНО
Нелегко ловить нейтрино, особенно то, у которых невелика энергия (а солнечные нейтрино именно таковы). Вероятность их взаимодействия с веществом чрезвычайно мала. Но все-таки она существует. И если изготовить достаточно большую мишень (скажем, весом в несколько сот тонн), и ждать достаточно долго (недели, месяцы), - время от времени будут происходить желанные взаимодействия нейтрино с ядрами вещества, из которого изготовлена мишень.
Как нейтрино взаимодействует с ядром, мы уже знаем. Нейтрино соединяется с нейтроном, и превращает его в протон. При этом из ядра испускается отрицательно заряженный электрон и, следовательно, образуется новое ядро, заряд которого на единицу больше. Обнаружить такое превращение можно, если образовавшиеся ядра настолько отличны по своим химическим свойствам от исходных, что даже не большое их количество можно выделить химическим путем из огромного числа ядер мишени. Затем выделенные ядра следует ввести в счетчик, который зарегистрирует их радиоактивный распад. По числу распадов можно судить о потоке нейтрино, если вероятность поглощения нейтрино веществом известна.
МЕТОД ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
В 1946 году Б. Понтекорво предложит использовать для регистрации нейтрино с небольшой энергией реакцию, в которой ядро хлора вместе с нейтрино превращается в атом аргона, излучая электрон. Изотоп аргона, образующийся при захвате нейтрино, неустойчив и снова превращается в хлор с периодом полураспада 35 дней (за это время половина ядер аргона превращается в ядра хлора). При распаде из атома аргона освобождается электрон, который можно детектировать с помощью специальных счетчиков. Регистрация таких электронов свидетельствовала бы о том, что некоторые атомы хлора превратились в атомы аргона в результате захвата нейтрино.
Мы уже отмечали, что это объясняется высокой энергией нейтрино, образующихся при таком распаде. Интенсивность потока нейтрино от распада бора в очень сильной степени зависит от температуры (пропорциональна тринадцатой степени температуры). Поэтому по измеряемому потоку борных нейтрино можно с высокой точностью определить температуру центральной области Солнца, в которой происходят термоядерные реакции
Кроме хлор-аргонного метода, предложены, и другие способы детектирования солнечных нейтрино. Но хлор-аргонный метод разработан лучше других. Поэтому он и применяется в первом эксперименте по поискам солнечных нейтрино.
ЭКСПЕРИМЕНТ ДЭВИСА
В течение последних десяти лет Р. Дэвис, и его сотрудники совершенствовали методику детектирования нейтрино, основанную на захвате нейтрино ядром хлора (рис. 4). Первые неожиданно неудачные попытки этой экспериментальной группы показали, что поток нейтрино от Солнца почему-то аномально слаб и не согласуется с предсказаниями теоретических расчетов. Создалась драматическая ситуация. Ставились под сомнение современные представления об источниках солнечной энергии. Если бы в дальнейших экспериментах выяснилось, что реальный поток нейтрино слабее еще в несколько раз, то это означало бы, что энергия Солнца имеет не термоядерное происхождение.
И вот в апрельском номере «Бюллетеня американского физического общества» за прошлый год опубликовано короткое сообщение Дэвиса об успешной регистрации нейтрино от Солнца. Свой детектор Дэвис разместил в золотой шахте штата Южная Дакота (США) на глубине 1 490 метров. Детектор нужно надежно защитить от космических лучей, падающих на Землю. Некоторые из реакций, вызываемых частицами космических лучей, могут имитировать нейтринную реакцию.
Еще одна помеха связана с нейтронами от радиоактивного излучения самого вещества Земли, окружающего детектор. Для защиты от этих нейтронов бак окружен со всех сторон водой. Специальные счетчики регистрируют проникновение, каких-либо частиц извне. В баке содержится около 10 s0 различных атомов. Необходимо найти, и выделить из них несколько десятков атомов аргона, образовавшихся из атомов хлора при взаимодействии с нейтрино. Искать иголку в стоге сена, по-видимому, легче.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Процитируем сообщение Дэвиса (апрель 1971 г.): «Проводится эксперимент по наблюдению солнечных нейтрино методом детектирования хлор-аргонной реакции.
Используется 610 тонн жидкого тетрахлорэтилена С2Сl4. Найдено, что вероятность образования аргона составляет 0,5 ±0,2 атома в день. Оценка фоновых эффектов от космических лучей, и быстрых нейтронов дает для рождения атомов аргона за счет этих процессов 0,2 события в день. Этот результат показывает, что вероятность захвата солнечных нейтрино атомом Сl37 составляет (1,5±1,0) 10^-30 сек.-1. Эту величину можно сравнить со значением 10^-35 сек.-1, предсказываемым последними расчетами модели Солнца (Бакал, 1970)»
ЧТО ЭТО ОЗНАЧАЕТ?
Прежде всего о расхождении между результатами теоретических расчетов, и эксперимента. Расхождение можно объяснить разными причинами, в первую очередь неточным знанием параметров, используемых при построении моделей Солнца химического состава, времени эволюции, параметров термоядерных реакции.
Рассчитанные потоки нейтрино от реакций с бериллием-7, бором-8, и от углеродного цикла сильно зависят от этих параметров. Однако от них практически не зависят интенсивности потоков нейтрино от реакции «рр», и «рер». Поэтому можно с уверенностью определить нижнюю границу ожидаемой интенсивности солнечных нейтрино - она равна 0,3-10^-36ceк.-1.
Экспериментально полученное значение превышает эту нижнюю границу, определяемую нейтрино от рер-реакции. Поэтому оно согласуется с термоядерной гипотезой происхождения энергии звезд. Если бы вся солнечная энергия образовывалась за счет углеродного цикла, то скорость счета составляла бы 35-10-36 сек.-1, то есть была бы в двадцать раз больше. Следовательно, углеродный цикл не может давать больше 5% энергии, производимой в недрах Солнца. Концентрация тяжелых элементов на Солнце не превышает 1 %. В противном случае предсказываемая скорость счета была бы больше наблюдаемой.
Полученный результат означает также, что температура в центре Солнца не превышает 14,3 миллиона градусов. Прежде она предполагалась более высокой. Эксперимент Дэвиса наверняка представляет только первый из серии различных будущих экспериментов по изучению нейтрино от Солнца. Очень интересно измерить интенсивность потоков нейтрино от главной реакции водородного цикла - рр-реакции, а также от рер-реакции. Интересно определить вклады, и поток нейтрино от других реакций. (Разделение нейтрино от различных реакций можно произвести, используя несколько детекторов с различными энергетическими порогами.)
Можно ожидать, что нейтринное «просвечивание» Солнца в ближайшие годы даст много новой ценной информации о строении Солнца.
