Нейтрино - призрачная частица атома

Антинейтрино и Земля

Как только было доказано существование нейтрино, перед учеными встал вопрос о роли нейтрино во Вселенной. Другими словами, возникло новое направление в науке — нейтринная астрономия.

Мощным естественным источником нейтрино во Вселенной являются радиоактивные атомы. Радиоактивные превращения нестабильных изотопов, имеющих такой большой период полураспада, что они не распались за время существования Земли, почти всегда сопровождаются возникновением β-частиц или α-частиц. Но ни один из естественных радиоактивных атомов, находящихся в земной коре, не излучает позитроны. Это означает, что естественная радиоактивность порождает только антинейтрино, причем одно антинейтрино сопровождает каждую β-частицу.

Естественное образование β-частиц на Земле происходит благодаря распаду главным образом атомов трех типов: урана-238, тория-232 и калия-40. Уран-238, последовательно распадаясь, превращается в конечном счете в свинец-206, испуская в процессе распада восемь α-частиц и шесть β-частиц. При последовательном превращении тория-232 в свинец-208 излучается семь α-частиц и четыре β-частицы. При переходе калия-40 в кальций-40 возникает одна β-частица.

Расчеты, проведенные с учетом разности масс этих атомов, их периода полураспада и распространенности в земной коре, показали, что в каждом килограмме вещества земной коры образуются 7330 β-частиц в секунду (6200 — за счет урана-238, 800 — калия-40 и 330 — тория-232).

Вклад остальных радиоактивных атомов (включая очень редко встречающийся уран-235) так мал по сравнению с перечисленными, что им можно пренебречь. С каждой β-частицей излучается антинейтрино, следовательно, каждый килограмм земной коры непрерывно излучает 7330 антинейтрино, а вся земная кора излучает около 1,75·10²⁶ антинейтрино в секунду.

Эти оценки относятся, конечно, только к земной коре. Уран, торий и калий очень распространены в поверхностных слоях Земли, но они имеются и в более глубоких слоях планеты, которые также участвуют в рождении антинейтрино.

Однако оценки содержания перечисленных элементов в глубоких слоях Земли очень грубые и вряд ли их нужно учитывать при расчетах.

Приблизительно половина всех антинейтрино излучается в направлении к центру Земли и, следовательно, проходит через Землю. Если предположить, что антинейтрино распределяются равномерно по объему Земли, окажется, что в любой части Земли объемом 40 см³ в течение секунды непременно находится одно антинейтрино. Средний объем тела человека равен 70 000 см³, следовательно, каждую секунду через него проходит около 1750 антинейтрино.

Мы этого, естественно, не замечаем, так как антинейтрино не взаимодействует с атомами нашего тела. За семьдесят лет жизни человека имеется приблизительно только один шанс из миллиарда, что какой-нибудь протон его тела поглотит антинейтрино. Через Землю антинейтрино проходят с такой же легкостью, как и через наши тела, и количество поглощенных частиц ничтожно по сравнению с числом антинейтрино, проходящих через нее беспрепятственно.

Нейтрино и Солнце

Рассмотрим теперь термоядерные реакции, происходящие внутри звезд. В звездах, подобных нашему Солнцу, энергия образуется за счет превращения водорода в гелий. Детали превращения могут быть различны, но общим в реакции синтеза является превращение четырех ядер водорода (каждое с зарядом +1) в ядро гелия (с зарядом +2).

В процессе реакции, в соответствии с законом сохранения заряда, образуются два позитрона, каждый из которых несет заряд +1. Таким образом, заряд в начале и в конце реакции равен +4. Четыре ядра водорода в начале реакции имеют суммарное нулевое лептонное число, как ядро гелия в конце ее. Однако каждый позитрон имеет лептонное число -1, поэтому для компенсации суммарного лептонного числа позитронов одновременно с ними должны возникнуть два нейтрино, каждое из которых имеет лептонное число +1. Следовательно, при исчезновении двух атомов водорода на Солнце возникает одно нейтрино (но не антинейтрино).

Полное число нейтрино, образующихся на Солнце, зависит от полного числа сгоревших ядер водорода. В реакции синтеза гелия из водорода 0,71 % массы превращается в энергию, и, как я уже говорил, Солнце каждую секунду теряет 4 600 000 г своей массы. Если эта потеря массы составляет 0,71 % общей массы водорода, превращающегося в гелий каждую секунду, полная масса водорода, участвующего в реакции, равна 650 000 000 т. Но в 650 000 000 т водорода содержится 3,6·10³⁸ протонов. Следовательно, каждую секунду на Солнце рождаются 1,8·10³⁸ нейтрино. Таким образом, число нейтрино, образующихся на Солнце каждую секунду, почти в триллион раз больше числа антинейтрино, возникающих за одну секунду в земной коре, следовательно, наша Вселенная содержит частиц больше, чем соответствующих античастиц. Во Вселенной, состоящей из антиматерии, в процессе естественной радиоактивности возникали бы нейтрино, а при ядерном синтезе — антинейтрино. В такой Вселенной антинейтрино были бы более распространены, чем нейтрино.

Итак, энергия Солнца излучается в пространстве в основном в форме фотонов и нейтрино, а не одних фотонов, причем большая часть энергии уносится фотонами и только не более 5 % уносится нейтрино. Следует отметить, что фотоны и нейтрино уносят эту энергию по-разному. Фотоны, возникающие в чрезвычайно горячем центре Солнца, где процессы ядерного синтеза протекают при температуре около 15 000 000 °C, легко поглощаются окружающим веществом. Прежде чем снова поглотиться, они проходят расстояние порядка одного сантиметра, затем они излучаются, потом снова поглощаются и т. д. Поэтому свой путь через 600 000 км солнечного вещества от центра Солнца к поверхности фотоны проходят очень медленно. По этой причине солнечное вещество — превосходный теплоизолятор и поверхность Солнца имеет температуру только 6000 °C. Конечно, по земным стандартам там довольно жарко, но нужно принять во внимание, что поверхность с температурой 6000 °C находится на расстоянии лишь немногим более 600 000 км от вещества с температурой 15 000000 °C!

Нейтрино, однажды возникнув, уносится со скоростью света, практически не поглощаясь веществом Солнца (за исключением чрезвычайно незначительного числа случаев). Независимо от того, в каком направлении от центра Солнца вылетает нейтрино, оно будет на его поверхности через три секунды. Затем оно вылетит в межпланетное пространство и достигнет Земли за восемь минут (если оно вылетело в нужном направлении). Оно свободно пролетит через Землю самое большее за 1/25 сек и продолжит свое бесконечное путешествие по Вселенной.

Конечно, нейтрино Солнца разлетаются по различным направлениям и все, за исключением ничтожной части их, пролетают мимо Земли, которая представляет собой очень маленькую мишень на таком большом расстоянии от Солнца. Тем не менее, Земля получает от Солнца 8·10²⁸ нейтрино в 1 сек. Это приблизительно в 450 раз больше числа антинейтрино, испускаемых радиоактивными элементами земной коры, а каждый квадратный сантиметр площади поперечного сечения Земли получает 6·10¹⁰ нейтрино каждую секунду.

Солнечная активность является источником большей части получаемых нами нейтрино. Помимо того, на Землю попадают нейтрино от других звезд, но последние настолько далеки от нас, что их нейтрино имеют очень маленькую плотность в околоземном пространстве, поэтому очень немногие из них достигают Земли. (Другими словами, Земля представляет собой значительно меньшую мишень для нейтрино, летящих с альфа Центавра чем для нейтрино Солнца.)

Охота за нейтрино

Если Солнце представляет собой столь щедрый источник нейтрино, почему бы не изловить их, скажем, так же, как были пойманы антинейтрино?

При поглощении антинейтрино протоном образуются нейтрон и позитрон. Когда же нейтрон поглощает нейтрино, происходит как бы зеркальная реакция, при которой образуются протон и электрон, т. е.

ν + п → р⁺+ е^-.

В случае антинейтрино ученые были вынуждены выбрать мишень, богатую протонами, а в последнем случае— богатую нейтронами. Тогда как отдельные протоны легко собрать в виде водорода или химических соединений, содержащих водород, как, например, вода. К сожалению, отдельные нейтроны в больших количествах собрать нельзя. Поэтому пришлось иметь дело с атомными ядрами, содержащими большое количество нейтронов. Бруно Понтекорво предложил использовать хлор-37, который составляет одну четвертую всех атомов хлора. Его ядро содержит 17 протонов и 20 нейтронов. Если один из нейтронов захватит нейтрино, он превратится в протон (и излучит электрон), после чего ядро будет иметь 18 протонов и 19 нейтронов и станет ядром аргона-37. Чтобы сделать большую мишень из нейтронов ядер хлора, можно было бы использовать газообразный хлор или, лучше, жидкий хлор, так как жидкость в данном объеме содержит больше молекул (каждая молекула состоит из двух атомов хлора). Однако хлор — коррозионноактивный газ с сильными токсическими свойствами, а сжижение его представляет большие трудности.

Вместо этого используют органические вещества, содержащие хлор. (Нет оснований сомневаться, что в ядерных реакциях участвуют не только свободные атомы, но и атомы, находящиеся в молекулах.) Обычно используют четыреххлористый углерод, молекулы которого состоят из одного атома углерода и четырех атомов хлора, или тетрахлорэтилен, состоящий из двух атомов углерода и четырех атомов хлора. При комнатной температуре — это жидкости, совершенно безопасные при обычных предосторожностях. (Их часто используют при химической чистке.)

Если атом хлора, который является частью молекулы тетрахлорэтилена, поглощает нейтрино и превращается в атом аргона, его связь с молекулой нарушается, так как атомы аргона не вступают в химическую связь с другими атомами. Таким образом, поглощение нейтрино приводит к образованию свободных атомов аргона из атомов хлора, связанных в молекуле. Свободные атомы аргона в конце концов соберутся в крошечные пузырьки газа.

Немногочисленные атомы аргона можно зарегистрировать лишь благодаря их радиоактивности. Хлор-37 — абсолютно стабильный атом, а аргон-37 — неустойчив, и его обнаруживают даже в малых количествах по особой форме его радиоактивности.

Вид радиоактивности удается установить, если концентрация радиоактивных атомов достаточно велика. Для того чтобы повысить концентрацию аргона, баки после нескольких недель облучения (когда радиоактивных атомов накопится нужное количество) продувают газообразным гелием. Гелий (газ, очень похожий на аргон) увлекает за собой атомы аргона, а после того, как они растворятся в гелии, их легче регистрировать.

С помощью хлор-аргоновой методики американский физик Раймонд Дэвис доказал, что в действительности существуют и нейтрино, и антинейтрино (как это и следовало из закона сохранения лептонного числа).

Предположим, что существуют не две такие частицы, а только одна, и что нейтрино, подобно фотону, является своей собственной античастицей. Тогда во всех субатомных процессах эта частица выступала бы в роли нейтрино и одновременно антинейтрино. Например, если мы обнаружили частицу, которая поглощается протоном, образуя позитрон и нейтрон, та же самая частица должна поглощаться атомом хлора, образуя атом аргона. Первая реакция характерна для антинейтрино, вторая — для нейтрино, и если нейтрино и антинейтрино — одна частица, она одновременно выполняет обе функции.

Ядерный реактор излучает частицы, которые поглощаются протонами. Следовательно, — это антинейтрино. Могут ли те же самые частицы превратить атомы хлора в атомы аргона?

В 1956 году Девис установил баки с тетрахлорэтиленом около реактора и не обнаружил такой реакции, т. е. антинейтрино, существование которых было доказано Коуэном и Рейнисом, по-видимому, не могли выполнять функции нейтрино. Значит, должна существовать другая частица со свойствами нейтрино. Таким образом, закон сохранения лептонного числа был подтвержден.

Следующий этап состоит в непосредственном обнаружении солнечных нейтрино. Для регистрации последних были построены нейтринные телескопы, которые состоят из огромных баков, содержащих 450 000 л или более тетрахлорэтилена, расположенных глубоко под землей. (Дэвис работает в серебряном руднике на глубине полутора километров.) В 1965 году Рейнесом, проводившим исследования в золотом руднике в Южной Америке, за девять месяцев было обнаружено семь нейтрино из межпланетного пространства.

На первый взгляд кажется странным, что астрономические наблюдения должны проводиться глубоко под землей, но это имеет определенный смысл. Через слой земли толщиной в полтора километра проникает очень слабый субатомный «шум». Космические лучи экранируются, и остается лишь «шум», связанный со следами радиоактивных веществ в породах, окружающих шахту. А солнечные нейтрино могут совершенно свободно попасть в бак с тетрахлорэтиленом, хотя он расположен на полуторакилометровой глубине. (С такой же легкостью они могли бы попасть в бак, если бы он находился даже в центре Земли.)

Детектирование солнечных нейтрино имеет огромное значение. Фотоны Солнца проходят невероятно запутанный путь через солнечное вещество, и это путешествие очень сильно изменяет их свойства. Нейтрино же доходят до нас непосредственно из центра.

Зная энергии нейтрино, физики, вероятно, сумеют выяснить характер реакций синтеза, протекающих на Солнце. Энергия образующихся нейтрино зависит от последовательности реакций, в результате которых водород превращается в гелий. Зная энергетический спектр нейтрино, можно определить эту последовательность, которая позволит вычислить внутреннюю температуру Солнца и другие его характеристики. Короче говоря, нейтринная астрономия дает нам возможность «заглянуть» прямо в центр Солнца и узнать много интересного.

Сверхновые звезды и нейтрино

За последние десятилетия астрономы достаточно подробно разработали теории ядерных процессов, протекающих в ядрах старых звезд. Наше Солнце не принадлежит к этой категории звезд. Хотя возраст его исчисляется пятью или шестью миллиардами лет, оно все еще молодо; оно все еще превращает посредством термоядерного синтеза свои обширные запасы водорода в гелий. Звезды, синтезирующие водород, очень устойчивы и существуют многие миллиарды лет без значительного изменения.

В процессе водородного синтеза в центре звезды образуется гелиевое ядро, объем и температура которого все время возрастают. Когда температура увеличивается до определенной величины, становятся существенными ядерные процессы, которые раньше не имели особого значения. Например, при температуре центра Солнца 15 000 000 °C атомы гелия редко участвуют в реакции синтеза. Однако, когда температура достигает 100 000 000 °C, три ядра гелия все чаще начинают сливаться, образуя ядра углерода. Звезда переходит в стадию «гелиевого синтеза» (рис. 8, а).

Внутри гелиевого ядра образуется новое углеродное ядро, и температура в центре его продолжает расти. При температуре 600 000 000 °C из углерода начинает синтезироваться магний. При 2 000 000 000 °C атомы магния образуют серу, а при 4 000 000 000 °C из атомов серы синтезируется железо. (На каждой стадии имеется также несколько сложных побочных реакций.)

Когда звезда начинает сжигать гелий и образует все более и более сложные ядра, она вступает в свою последнюю стадию (см. рис. 8, б). В реакциях синтеза ядер из гелия выделяется сравнительно мало энергии. В реакции синтеза водорода при образовании каждого ядра гелия выделяется энергия 27,5 Мэв, а при переходе от гелия к железу энергия, выделяющаяся при сгорании одного атома гелия, составляет менее 9 Мэв.

Это означает, что звезда, прошедшая стадию водородного синтеза, уже израсходовала приблизительно ²/₃ всех имевшихся запасов ядерной энергии. Последующие изменения должны протекать все быстрее и быстрее, чтобы выделялось достаточно энергии и температура звезды становилась больше и больше. Звезда может перейти от стадии магниевого синтеза к стадии синтеза серы за столетие или даже меньше.

Когда начинает образовываться железо (см. рис. 8, в) звезда вступает в последнюю стадию своего развития поскольку речь идет о термоядерных реакциях, так как ядра железа очень компактны и содержат минимум энергии. Чтобы ядро железа превратить в более сложное ядро при помощи реакции синтеза или в менее сложное посредством реакции деления, необходим приток энергии.

Рис. 8. Эволюция звезды.

Астрономы предполагают, что единственным источником такой энергии может быть только гравитационное поле. Так возродилась теория Гельмгольца о гравитационном сжатии как источнике излучения, но в сильно измененной и более катастрофической форме. Для получения энергии, необходимой для превращения железа обратно в гелий, гравитационное сжатие (коллапс) должно произойти с феноменальной скоростью, т. е. менее чем за день звезда должна сжаться до крошечных размеров.

В результате внезапного и быстрого коллапса вещество звезды сжимается до такой степени, что ядра подходят друг к другу значительно ближе, чем в обычном веществе. Звезда становится белым карликом, состоящим из вырожденного вещества, плотность которого достигает сотен тонн в 1 см³. В процессе коллапса сильно сжимается и вещество во внешних областях, где еще имеются остатки исходного горючего звезды и даже водорода. Когда это горючее сжимается, его температура резко возрастает и мгновенно начинается термоядерная реакция. Так образуется сверхновая — звезда, которая за короткое время излучает энергию со скоростью, во много миллионов раз превышающей скорость излучения обычной звезды. В течение нескольких недель она может излучать энергию, как целая галактика обыкновенных звезд.

Не исключено, что гигантская катастрофа сверхновой играет важную роль во Вселенной. В настоящее время астрономы считают, что в молодости Вселенная состояла только из водорода. Более сложные атомы вплоть до железа медленно образовывались в центрах звезд. Каждая сверхновая благодаря огромному количеству мгновенно освобождаемой энергии могла бы образовать ядра более сложные, чем железо, а затем, взрываясь, рассеять все образовавшиеся атомы в пространство. Благодаря сверхновым, которые взрывались с начала образования Вселенной, вещество, распределенное между звездами, сравнительно богато тяжелыми атомами. Звезды, медленно образующиеся из этого межзвездного вещества (которое когда-то было веществом более ранних звезд), называются вторичными. Вторичные звезды сравнительно богаты тяжелыми атомами, хотя в результате процессов, происходящих в ядрах этих звезд, они не образуются. Такой вторичной звездой является наше Солнце, а Земля существует в своем теперешнем виде только потому, что составляющие ее атомы образовались когда-то в звездах, которые давным-давно взорвались, и если они еще и существуют, то только в виде белых карликов, затерянных в безграничных просторах Вселенной.

По относительной концентрации различных ядер во Вселенной астрономы пытаются понять, какие реакции протекают в центрах звезд на различных этапах, стараясь обосновать все еще не подтвержденную гипотезу эволюции звезд.

Появление сверхновой — довольно редкое явление. Подсчитано, что в любой галактике за тысячу лет появляется только три сверхновых. Полагают, что за последнюю тысячу лет в нашей галактике — Млечном Пути возникли три сверхновых звезды, причем последняя появилась в 1604 году, как раз перед изобретением телескопа.

В наши дни сверхновая может возникнуть в любой момент, и нам остается только надеяться, что к этому времени в области нейтринной астрономии ученые добьются определенных успехов.

После опубликования работ американских физиков Филиппа Моррисона и Хонг-Йи Цзу из Принстонского университета появилась надежда, что это время не за горами. В поисках новых ядерных взаимодействий, которые объяснили бы этапы звездной эволюции, они исследовали характер электрон-позитронного взаимодействия. Обычно такое взаимодействие приводит к образованию двух фотонов γ-лучей. Однако имеется небольшой шанс, что вместо γ-квантов образуются нейтрино и антинейтрино, т. е.

е^- + 'е⁺ → ν + 'ν.

В такой реакции выполняются все законы сохранения. Сохраняется электрический заряд (так как -1 + 1 = = 0 + 0), сохраняется и лептонное число (так как 1–1 = 1–1).

В обычных условиях образование нейтрино при электрон-позитронном взаимодействии чрезвычайно маловероятно. На каждую возникшую таким образом пару нейтрино-антинейтрино приходится по крайней мере 10²⁰ пар фотонов. Поэтому, казалось бы, этим источником нейтрино можно пренебречь.

В центре звезды условия совсем необычные. Когда в процессе эволюции центр звезды становится все горячее и горячее, условия становятся все менее и менее обычными.

Основываясь на теоретических соображениях, Моррисон и Цзу подсчитали, что при возрастании температуры количество пар нейтрино — антинейтрино, образующихся при электрон-позитронных взаимодействиях, становится все больше и больше. Кроме того, фотоны достаточно долго удерживаются в центре звезды, а нейтрино и антинейтрино за несколько секунд покидают звезду.

С помощью пар нейтрино — антинейтрино происходит утечка энергии из звезд, и чем старше звезда, тем больше эта утечка. К тому времени, когда температура ядра звезды достигает 600 000 000 °C, половина энергии ее излучается в виде нейтрино и антинейтрино. При температуре выше 600 000 000 °C звезду с полным основанием можно называть нейтринной.

Такие звезды близки к последней стадии сжатия сверхновой, причем излучение нейтрино, по-видимому, способствует этому коллапсу. Когда температура достигает предельного значения 6 000 000 000 °C и в центре звезды образуется ядро из атомов железа, не способное больше производить ядерную энергию, нейтрино образуется в таком количестве, что звезда начинает катастрофически быстро терять свою энергию. Цзу подсчитал, что при такой температуре нейтрино могут унести все внутренние запасы энергии звезды в течение одного дня. Но внутренние запасы энергии звезды препятствуют ее сжатию под действием собственного гигантского гравитационного поля. Поэтому, как только все внутренние запасы энергии перейдут в нейтринное излучение, звезде остается только сжаться, и тогда возникает сверхновая.

Если эти расчеты верны, появлению сверхновой предшествует необычайно сильное излучение нейтрино, которое продолжается не более нескольких столетий, и нейтринный телескоп обнаружил бы, что некоторые части неба являются такими сильными источниками нейтрино. (По расчетам Цзу, каждые 10—100 сек телескоп регистрировал бы одно нейтрино от источника, находящегося на расстоянии тысячи световых лет.) Эти источники предупреждали бы нас о появлении сверхновой (или катастрофах другого типа).

До сих пор сверхновые изучались только после их взрыва. Если нейтринная астрономия позволит изучать сверхновые непосредственно перед взрывом, можно будет получить массу информации о внутренних областях звезд. Волнение и радость астрономов будут неописуемы.

Вселенная и нейтрино

На самом деле нейтринная астрономия, вероятно расскажет нам даже о более общих свойствах Вселенной. Как я уже говорил, в обычной Вселенной преобладают нейтрино, во Вселенной из антивещества должны преобладать антинейтрино. Какова же плотность нейтрино во Вселенной? Ответить определенно на этот вопрос пока нельзя, хотя кое о чем мы догадываемся.

В любой части Вселенной существуют огромные потоки нейтрино, поскольку все звезды излучают нейтрино (или антинейтрино, если звезда состоит из антивещества), которые фактически никогда не поглощаются. Эти потоки являются свидетелями событий, которые происходили в течение всей истории Вселенной и происходят в настоящее время.

Вполне возможно, что «нейтринный фон» Вселенной имеет свои характерные особенности. Если бы мы обладали способностью видеть нейтрино, мы обнаружили бы, что во Вселенной фактически ничего нет, кроме нейтрино, а все остальные частицы являются, так сказать, незначительными примесями, которые кажутся нам преобладающими во Вселенной только потому, что мы не ощущаем фон. Как только мы начнем регистрировать случайные нейтрино, мы многое узнаем о Вселенной и ее истории, о которой сейчас только догадываемся или вообще даже не подозреваем.

Очевидно, в первую очередь необходимо измерить относительное число нейтрино и антинейтрино, которые доходят до нас из всей Вселенной. Если будут обнаружены только нейтрино, будет доказано, что наша Вселенная состоит из обычного вещества с незначительной примесью антивещества. Если же продолжать настаивать на том, что антивещество существует в равных количествах с веществом (согласно законам сохранения барионного и лептонного чисел), тогда, возможно, это антивещество нельзя обнаружить, и оно образует отдельную «Антивселенную».

Если нейтрино и антинейтрино будут обнаружены приблизительно в одинаковых количествах, значит, Вселенная состоит приблизительно из равных количеств вещества и антивещества. В этом случае нетрудно будет обнаружить отдельные галактики и антигалактики, заметив, откуда именно вылетают нейтрино и антинейтрино.

Если же, напротив, будут зарегистрированы потоки, в основном состоящие из антинейтрино, большая часть Вселенной, следовательно, состоит из антивещества. В таком случае Млечный Путь, в котором находится наше Солнце, — одна из немногих галактик, состоящих из обычного вещества.

Великие открытия нейтринной астрономии — в будущем, а пока можно придумывать самые невероятные вещи. Например, в 1962 году на основе чисто математических соображений было высказано предположение, что нейтрино могут путешествовать в прошлое [17].

Подчас новые факты не укладываются в рамки наших представлений. В том же 1962 году было сделано открытие, связанное с нейтрино, которое было неожиданным и довольно удивительным, хотя и не относилось к путешествию сквозь время.