СЛОВО «нейтрино» («маленький нейтрон») впервые появилось в научной литературе более двадцати лет назад. Так назвали новую «элементарную» частицу материи, предположение о существовании которой возникло при изучении радиоактивных процессов. Долгое время нейтрино не удавалось обнаружить непосредственно опытным путем и среди физиков не было единодушного мнения о том, есть ли такая частица на самом деле. Но затем, с накоплением экспериментального материала, в особенности с углублением знаний о свойствах атомных ядер, убеждение в реальности нейтрино все более и более укреплялось. Сейчас уже нет сомнений в том, что нейтрино — это действительно существующая «элементарная» частица, хотя ряд ее свойств до сих пор остается неизвестным.
Чтобы понять, почему физики были вынуждены выдвинуть гипотезу о существовании еще одной «элементарной» частицы, нужно познакомиться с некоторыми особенностями так называемого β-распада (бета-распада). Бета-распад — это такое превращение радиоактивных атомных ядер, при котором испускаются электроны или позитроны, названные бета-частицами. Исследования показали, что любое бета-активное вещество испускает электроны или позитроны со всевозможными энергиями, начиная от нуля и до «некоторой максимальной величины
(до некоторой верхней границы). Однако преобразующееся атомное ядро теряет всегда одну и ту же величину энергии. Таким образом, бета-частицы уносят лишь часть энергии, теряемой ядром при бета-распаде.
Возникает вопрос куда уходит та часть энергии, которая равна разности между энергией, отданной ядром и энергией, уносимой бета-частицей? Было много попыток найти ответ на этот вопрос, но все они кончались неудачей. Ученые, например, высказали предположение, что все бета-частицы испускаются ядрами с одинаковой энергией, ратной разности энергий ядра до и после превращения, а затем теряют часть своей энергии внутри радиоактивного препарата. Для проверки этого были поставлены специальные опыты. Однако они дали отрицательный результат. У физиков создалось затруднительное положение. Воспользовавшись этим, некоторые философы-идеалисты заявили, будто в процессе бета-распада закон сохранения энергии не подтверждается. Но этот взгляд не нашел поддержки среди ученых и был опровергнут всем дальнейшим развитием атомной физики.
Сама гипотеза о существовании нейтрино была выдвинута, как раз для научного объяснения охарактеризованной выше особенности бета-распада. Эту гипотезу впервые высказал швейцарский физик В. Паули. Он предположил, что при бета-распаде из ядра одновременно с электроном (или позитроном) испускается другая частица, уносящая часть энергии. При этом убыль энергии у ядра равна сумме энергий электрона и другой частицы. Некоторые свойства бета-распада позволили ученым судить о ряде своеобразных свойств этой последней.
Так, электрический заряд ядра при бета-распаде изменяется на величину, равную заряду электрона. Следовательно, новая частица должна быть электрически нейтральна, то есть ее заряд должен равняться нулю. О массе нейтрино можно было бы судить, сравнивая величину энергии, теряемую ядром при бета-распаде, с максимальной энергией бета-частиц. Экспериментальные данные пока не позволяют определить величину массы нейтрино с большой точностью. Однако они вместе с тем дают основания сделать вывод о том, что масса нейтрино значительно меньше массы электрона. Эти два свойства новой частицы - электрическая нейтральность и очень малая масса-и обусловили ее название — нейтрино, предложенное итальянским физиком Э. Ферми в 1933 году.
Если принять во внимание особенности этой частицы, то становится понятным, почему излучение нейтрино ядрами осталось незамеченным в опытах с радиоактивными препаратами. Новая частица очень слабо взаимодействует с веществом и не может быть поглощена в стенках калориметра. Этим объясняются неудачи первых попыток обнаружить свободно летящее нейтрино с помощью приборов.
Действие большинства физических приборов, употребляющихся для регистрации «элементарных» частиц, основано на явлении ионизации, которое состоит в том, что быстро движущаяся заряженная частица выбивает из атомов вещества электроны.
Можно предположить, что нейтрино, подобно другим «элементарным» частицам, обладает магнитными свойствами, или, как говорят физики, имеет магнитный момент. В этом случае при движении в веществе оно должно производить некоторую ионизацию. В 1934 году была сделана попытках обнаружить эту ионизацию. Источником нейтрино служил очень сильный для того времени радиоактивный препарат, содержавший 5 граммов радия. Чтобы ослабить действие космических лучей, опыты проводились глубоко под землей.
Из результатов этих экспериментов следует, что, если нейтрино и имеет магнитный момент, величина его настолько мала (меньше магнитного момента 1/7 000 электрона), что производимая им ионизация недоступна) для измерения. Также безуспешными оказывались попытки обнаружить взаимодействие нейтрино с атомными ядрами.
Между тем физики находили все новые и новые факты, свидетельствующие о важной роли, которую играют нейтрино в ряде атомных процессов.
Изучение свойств «элементарных» частиц показало, что эти частицы, а также атомные ядра могут обладать моментом количества движения — спином. Как известно, в случае больших (макроскопических) тел момент количества движения связан с их механическим вращением. Хотя буквально переносить это же представление на микрочастицы нельзя, ясно, что момент количества движения «элементарной» частицы также связан с, каким-то особым, внутренним ее движением. Во всех ядерных превращениях строго выполняется закон сохранения момента количества движения; таким образом, сумма моментов количества движения взаимодействующих в каждом данном процессе частиц остается постоянной. Если считать, что при бета-распаде из ядра испускается лишь один электрон, то закон сохранения момента количества движения не будет выполняться. Эта трудность легко устраняется предположением, что некоторый момент количества движения уносит нейтрино. Из этого мы заключаем еще об одном свойстве нейтрино - его спине.
Известно, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов; ни электрон, ни нейтрино находиться в нем не могут. Электрон и нейтрино возникают в тот момент, когда один из ядерных нейтронов превращается в протон. Подобно этому в случае позитронного распада внутри ядра происходит превращение протона в нейтрон и возникают позитрон, и нейтрино. Здесь мы имеем наглядный пример перехода одних «элементарных» частиц в другие. На этой идее превращения частиц и основана современная теория бета-распада. И хотя эта теория далеко еще не завершена и; нуждается в дальнейшей разработке, многие ее выводы, в частности вывод о характере спектра бета-частиц, хорошо подтвердились на опыте. Это также является доказательством существования нейтрино. Неудачи первых попыток обнаружить нейтрино в свободном состоянии после вылета его из ядра заставили физиков пойти по другому пути попытаться обнаружить нейтрино по его действию в самый момент вылета. Как следует из общих, законов механики, ядро при испускании частицы, испытывает толчок — отдачу. При бета-распаде энергия и направление движения преобразующегося ядра (ядро отдачи) зависят от того, вылетел ли из него только электрон или. также и. нейтрино/Энергия, ядер отдачи очень мала и опыты по регистрации этих ядер требуют от экспериментатора большого искусства. Первым подобные опыты провел А. И. Лейпунский; по их образцу осуществлялись последующие работы. Они подтвердили факт испускания нейтрино. Особенно убедительны исследования ядер отдачи в случае одного. из видов бета-превращения — так называемого К-захвата. Мысль о постановке таких опытов была высказана А. И. Алихановым и А. И. Алиханяном в 1938 году. Явление К-захвата состоит в том, что неустойчивое ядро захватывает один электрон из ближайшей к ядру электронной оболочки атома и при этом испускает нейтрино, испытывая некоторую отдачу. Так, как ядро в этом случае испускает лишь одну частицу, то все нейтрино имеют одну и ту же энергию. Подобным же образом одинаковую энергию должны иметь ядра отдачи, что хорошо подтвердилось на опыте.
Несколько лет назад возникли новые возможности для наблюдения свободного нейтрино появились другие источники этих частиц, по своей мощности во много раз превосходящие радиоактивные источники, имевшиеся ранее в распоряжении физиков. Речь идет о ядерных реакторах, или котлах. Как известно, в результате деления ядер урана в котле образуются радиоактивные осколки. Эти осколки испытывают несколько последовательных бета-распадов, испуская при этом несколько нейтрино (в среднем б нейтрино на одно деление). Нейтрино уносят значительную долю всей энергии, освобождающейся в результате деления ядер урана - около 5 процентов. Котел средней величины, мощностью 100 тысяч киловатт, испускает в одну секунду около 2·1019 нейтрино, то есть столько же, сколько должны испускать в секунду 500 тонн радия.
В 1953 году была вновь предпринята попытка более точно изучить действие нейтрино на вещество. В качестве источника нейтрино использовался урановый котел.
Из теории следует, что нейтрино взаимодействует с атомными ядрами путем так называемого «обратного бета-процесса». При этом происходит захват нейтрино ядром и испускание одного электрона или позитрона. Так, ядро водорода - протон - может захватить нейтрино и, испустив позитрон, превратиться в нейтрон. Наблюдение этого процесса и было целью опытов. Нейтрино, возникшие в котле, могли попадать в люминесцентный счетчик, представлявший собой большой сосуд, наполненный водородосодержащей жидкостью, способной давать вспышки света под действием быстрых заряженных частиц (в данном случае позитронов). Вспышки света с помощью специальных приборов — фотоэлектронных умножителей - преобразовывались в электрические сигналы-импульсы, регистрировавшиеся радиотехнической установкой. В течение трех часов измерений наблюдалось около 70 импульсов, которые были вызваны взаимодействием нейтрино с ядрами водорода. Это число импульсов не сильно отличается от величины, которую можно было ожидать по теоретическим расчетам.
В этих опытах большие трудности представляет исключение посторонних импульсов, создаваемых другими частицами (например, космическими лучами), что может привести к ошибочному результату. Тем не менее можно, по-видимому, считать, что нейтрино, наконец, «поймано» физиками. По результатам этих опытов видно, насколько нейтрино слабо взаимодействует с веществом. Так, если пучок нейтрино проходит через слой воды, то для того, чтобы одна миллионная часть всех нейтрино из этого пучка «застряла» в воде, толщина слоя должна составлять несколько миллиардов километров.
Хотя нейтрино трудно наблюдаемо, но это не такая уж редко встречающаяся частица. Установлено, что источником энергии звезд, в том числе и нашего Солнца, являются ядерные превращения, происходящие внутри звезд. В этих превращениях может происходить и рождение нейтрино. Большая часть выделяющейся ядерной энергии идет на нагревание звезды и излучается ею в виде света. Нейтрино же благодаря своей громадной проникающей способности свободно вылетают из звезды, сохраняя свою энергию. Эта энергия составляет значительную долю всей энергии, излучаемой звездой - около 6 процентов. Отсюда следует, что на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли за одну секунду падает несколько сотен миллиардов нейтрино, испускаемых Солнцем. Эти частицы легко проходят через все препятствия, встречающиеся на их пути. Вся толща Земли может. задержать лишь, незначительную часть нейтрино примерно одно из тысячи миллиардов. В последние годы установлено также, что нейтрино могут испускаться и при распаде различных частиц (мезонов), входящих в состав космических лучей.
История открытия и исследования нейтрино — показательный пример могущества современной науки, беспредельности познания человеком тайн природы.
