Нейтрино - призрачная частица атома

Поглощение фотонов

До сих пор нейтрино было очень похоже на фотон. Подобно фотону, нейтрино не заряжено, не имеет массы, всегда движется со скоростью света. Обе частицы имеют спин. Спин фотона +1 или -1, тогда как спин нейтрино +1/2 или -1/2 (отличие не очень существенное). Тем не менее между ними существует интересная и даже удивительная разница, понять которую нам помогут следующие рассуждения.

Проследим два события, обращенные во времени. Пусть человек, держащий мяч, бросает его, скажем, на юг. Если же мяч приближается к человеку, двигаясь в обратном направлении, человек поднимает руку и ловит его. В первом случае последовательность событий была такова: 1) человек держит мяч, 2) человек бросает мяч, 3) мяч летит на юг. Движение, обращенное во времени, имело другую последовательность событий: 1) мяч летит на север, 2) человек ловит мяч, 3) человек держит мяч. Все это очень напоминает кинофильм, который сначала прокручивают в одну сторону, а затем в обратную.

Попробуем перенести этот принцип в субатомный мир Если электрон в атоме переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное, он излучает фотон видимого света, длина волны которого зависит от разности энергий между двумя возбужденными состояниями атома. Тот же самый атом может поглотить или «поймать» фотон с точно такой же длиной волны, при этом электрон перейдет из менее возбужденного состояния в более возбужденное. Каждый тип атома излучает фотоны определенных длин волн (в зависимости от величины энергии его возбужденных состояний) и при подходящих условиях поглощает фотоны с точно такими же длинами волн.

И все-таки разница между прямым и обращенным во времени событием существует не только в изменении направления и последовательности. Поймать мяч труднее, чем бросить его. Бросая мяч, вы приводите в движение неподвижный предмет, и все зависит только от вас. Располагая своим временем, вы можете удобнее взять мяч, тщательно прицелиться и т. д. Когда же вы ловите мяч, приходится иметь дело с движущимся предметом и зевать некогда. Когда мяч приблизится, его нужно быстро схватить, так как мяч будет оставаться в пределах досягаемости долю секунды. В эту долю секунды вы должны успеть вытянуть руку точно в направлении движения мяча и остановить его. Если вы промахнетесь, мяч пролетит мимо.

То же самое происходит и с атомом, излучающим фотон. Такой атом испускает фотон за время, которое в среднем составляет около 10^-8 сек. Следовательно, атом, так сказать, сам распоряжается своим временем и излучает фотон, когда ему удобно.

Чтобы поглотить этот же фотон, атому необходимо 10^-8 сек, что является естественным следствием обратимости событий. Но атом не может поглотить фотон без значительных хлопот. Фотон движется со скоростью света и не остается вблизи атома в течение всего промежутка времени 10^-8 сек. За такой промежуток времени фотон света пролетает в среднем 300 см. Некоторые фотоны могут пройти большее расстояние, а другие меньшее. Понятно, почему обычно атомам очень трудно поймать фотоны: ведь размер атома значительно меньше этого расстояния! (Точно так же баскетболистам трудно ловить мячи, летящие слишком быстро). Тем не менее, случайно атом может поймать и поглотить фотон.

Все сказанное предполагает, что фотон не имеет собственных размеров_; хотя на самом деле его размеры довольно велики. Типичный фотон видимого света имеет длину волны около 1/20 000 см. На этой длине укладывается в ряд около тысячи атомов. Фотон видимого света можно представить как некую сферу, диаметр которой в тысячу раз больше диаметра атома, а объем в 1000000000 раз больше объема атома. В любой момент времени фотон света соприкасается приблизительно с миллиардом атомов, один из которых ухитряется поймать и поглотить его.

Следовательно, глубина, на которую фотон проникает в вещество до поглощения, не 300 см, а в миллиард раз меньше, т. е. 3·10^-7 см.

На таком расстоянии умещаются в ряд не более 10–15 атомов. Это означает, что фотон света до момента поглощения проникает в вещество не глубже, чем на 10–15 атомарных слоев. Толщина в 10–15 атомов — сущий пустяк в обычных масштабах, поэтому большинство твердых веществ даже в виде тонких пленок непрозрачны для света (хотя золотую фольгу можно сделать настолько тонкой, что она станет прозрачной).

Чем короче длина волны света, тем меньше фотон, тем меньше атомов соприкасается с ним в любой момент времени и, следовательно, тем больший путь он проходит через вещество до поглощения. Именно по этой причине ультрафиолетовый свет проникает в кожу человека глубже, чем видимый свет; рентгеновские лучи свободно проходят через мягкие ткани тела и останавливаются только более плотным веществом костей; а γ-лучи пронизывают плотное вещество на много сантиметров. (Конечно, видимый свет проходит значительное расстояние в таких веществах, как стекло или кварц, не говоря уже о большинстве жидкостей, но все это является предметом отдельного рассмотрения).

Поглощение нейтрино

Постараемся теперь использовать все вышесказанное применительно к нейтрино и антинейтрино. Запишем еще раз реакцию распада нейтрона, в результате которой образуется протон, электрон и антинейтрино:

п → р⁺ + е^- + 'ν.

Предположим, что при подходящих условиях возможен обратный процесс, в котором протон, захватывая электрон и антинейтрино, становится нейтроном. Тогда обратная реакция выглядела бы так:

р⁺ + е^- + 'ν → п.

Естественно, протон должен поймать электрон и антинейтрино одновременно, что очень сильно уменьшает вероятность успешного завершения процесса. (Это равносильно тому, чтобы просить баскетболиста поймать одной рукой одновременно два мяча, летящих на него с разных сторон.)

Для упрощения задачи изменим порядок обращения. Любой процесс, в котором происходит поглощение электрона, можно заменить процессом, в результате которого рождается позитрон. (Подобное правило существует в алгебре: вычитание -1 равносильно прибавлению +1.) Другими словами, вместо одновременного поглощения электрона и антинейтрино протон может поглотить антинейтрино и излучить позитрон:

р⁺ + 'ν → п + 'е+.

При таком варианте реакции законы сохранения выполняются. Поскольку протон заменяется нейтроном (оба с барионным числом +1), а антинейтрино заменяется позитроном (оба с лептонным числом -1), законы сохранения барионного и лептонного чисел выполняются.

Остается рассмотреть вероятность поглощения антинейтрино протоном. Период полураспада нейтрона равен 12,8 мин, хотя отдельным нейтронам для распада требуется больше или меньше 12,8 мин. Следовательно, для образования нейтрона при захвате протоном антинейтрино и излучении позитрона требуется в среднем 12,8 мин. Другими словами, антинейтрино поглощается протоном в среднем за 12,8 мин.

Но нейтрино распространяется со скоростью света и за 12,8 мин проходит расстояние 2,3·10⁸ км (т. е. путь, приблизительно равный расстоянию от Солнца до Марса). Трудно поверить, что антинейтрино до поглощения способно пройти такое огромное расстояние в твердом веществе, даже если предположить, что объем его равен объему фотона. Но на самом деле антинейтрино значительно меньше атома.

В действительности дело обстоит гораздо сложнее, В случае фотонов поглощение происходит за счет электронов, занимающих большую часть объема атома, а в твердом веществе атомы плотно прилегают друг к другу. Антинейтрино же поглощается протонами, расположенными в атомных ядрах, которые занимают ничтожную часть атома. Антинейтрино, пролетая через твердое вещество, очень редко сталкивается с крошечным ядром. Лишь одну стомиллионную всего времени, в течение которого антинейтрино находится внутри атома, оно бывает настолько близко к протону, что последний может захватить его. Следовательно, для того чтобы у антинейтрино был определенный шанс быть пойманным протоном, оно должно пройти в твердом веществе путь в сто миллионов раз больший, чем 230 000 000 км. Было установлено, что в среднем антинейтрино должно пролететь в свинце около 3500 световых лет до поглощения.

Естественно, во Вселенной нигде нет слоя свинца толщиной в 3500 световых лет. Вселенная состоит из отдельных звезд, чрезвычайно редко распределенных в пространстве, а диаметр любой звезды значительно меньше одной миллионной светового года. Большинство звезд состоят из вещества, плотность которого значительно меньшей плотности свинца. Исключение составляет сверхплотное вещество сравнительно небольшого ядра звезды. (Во Вселенной имеются и сверхплотные звезды, но они очень малы — не больше планет.) Но задержать антинейтрино не могут даже сверхплотные части звезд. Пролетая через Вселенную в любом направлении, антинейтрино очень редко проходит сквозь звезду и еще реже — сквозь ее сверхплотное ядро. Суммарная толщина звездного вещества, через которое проходит антинейтрино, пролетая из одного конца видимой Вселенной в другой, значительно меньше одного светового года.

Все, что говорилось здесь относительно антинейтрино, применимо, естественно, к нейтрино, и можно, следовательно, утверждать, что нейтрино и антинейтрино практически не поглощаются. Однажды возникнув в каком-то субатомном процессе, они вечно движутся и не подвержены никаким изменениям и влияниям со стороны всего окружающего. Время от времени они поглощаются, но число поглощенных нейтрино ничтожно по сравнению с огромным числом уже существующих и вновь возникающих. Современные знания позволяют нам с уверенностью сказать, что фактически все нейтрино и антинейтрино, возникшие за время жизни Вселенной, существуют и по сей день.

Как же поймали антинейтрино?

Сделанный выше вывод явился не очень приятной новостью. Сколько бы ни выводил физик необходимость существования нейтрино и антинейтрино из законов сохранения, он был бы по-настоящему счастлив, только действительно обнаружив крошечные частицы прямым наблюдением. Но, чтобы продемонстрировать их существование, он должен сначала поймать хотя бы одну частицу, то есть заставить ее провзаимодействовать с какой-нибудь другой частицей, чтобы можно было обнаружить результат этого взаимодействия. А поскольку поймать нейтрино или антинейтрино фактически было невозможно, возникло серьезное сомнение в реальности их существования!

В результате физик спас свое представление о строении Вселенной, которое развивалось на протяжении трех столетий, настаивая на существовании чего-то, что нужно было принять на веру. Он доказывал существование нейтрино на основе своих теорий и спасал свои теории, утверждая существование нейтрино. Получился «замкнутый круг». Причины для сомнений и неопределенности оставались. Было чрезвычайно важно разработать какой-нибудь метод регистрации нейтрино или антинейтрино, если это вообще возможно.

Брешь в почти непроницаемой броне неуловимого нейтрино была пробита с помощью слова «в среднем». Я говорил, что до поглощения антинейтрино в среднем проходит через слой твердого свинца толщиной 3500 световых лет. Но это только в среднем. Некоторые антинейтрино, возможно, проходят более короткий путь, другие — более длинный, и лишь немногие пройдут до поглощения или очень маленькое, или очень большое расстояние. Следовательно, необходимо сосредоточить внимание на бесконечно малой доле антинейтрино, поглощающихся в такой толщине вещества (скажем, несколько метров), которую легко создать в лаборатории. Чтобы этот бесконечно малый процент содержал возможно большее число антинейтрино, необходимо иметь очень мощный источник этих частиц. Таким мощным источником антинейтрино является ядерный реактор. Образующиеся в реакторе избыточные нейтроны рано или поздно распадаются на протоны, электроны и антинейтрино. Когда реактор работает на полную мощность, непрерывно рождается огромное число антинейтрино. В 1953 году группа американских физиков, возглавляемая Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом, начала опыты по регистрации антинейтрино. В качестве источника частиц они использовали ядерный реактор в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина. Этот реактор испускал каждую секунду примерно 10¹⁸ антинейтрино.

Рис. 7. Детектирование антинейтрино.

Для такого несметного числа антинейтрино нужно было создать мишень, богатую протонами. Простейшей естественной мишенью является вода. Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода, ядра которых представляют собой протоны, и атома кислорода. Коуэн и Рейнес использовали пять баков воды длиной 1,9 м и шириной 1,4 м. Толщина баков была различной (рис. 7). Два тонких бака высотой 7,6 см использовались в качестве мишени. Три других бака высотой 60 см служили детектором. Баки располагали в таком порядке: детектор — мишень — детектор — мишень — детектор. Вода в баках-мишенях содержала небольшое количество растворенного хлористого кадмия. Баки-детекторы содержали раствор сцинтиллятора — вещества, которое излучает часть энергии, полученной им при поглощении субатомной частицы, в виде короткой вспышки света. Такой «двойной сэндвич» из баков располагался на пути потока антинейтрино из реактора. Оставалось только ждать. Если антинейтрино действительно существуют, каждые Двадцать минут (в среднем) одно из них должно поглотиться протоном. Но баки подвергались непрерывному действию космического излучения из межпланетного пространства, бомбардировке частицами, испускаемыми небольшими количествами радиоактивных веществ, находящихся в воздухе, строительных материалах, почве. Вся трудность заключалась в том, чтобы на всем этом фоне событий, происходивших внутри баков с водой, выделить поглощение антинейтрино.

Вначале нежелательный субатомный «шум» не позволял обнаружить поглощение антинейтрино. Постепенно создавалось все более и более эффективное экранирование, чтобы избавиться от нежелательного излучения и частиц. Конечно, антинейтрино никакое экранирование, никакие толщины металла или бетона не могли задержать, и в конце концов «шум» уменьшился до уровня, который уже не скрывал слабый «шепот» очень редких антинейтрино, случайно захваченных протонами. Но этот шепот надо было еще идентифицировать.

При поглощении антинейтрино протоном образуется нейтрон и позитрон — комбинация частиц, которую легко отличить. Как только в одном из баков-мишеней образуется позитрон, он взаимодействует с электроном меньше, чем за одну миллионную секунды, при этом возникает два фотона, каждый из которых имеет энергию 0,51 МэВ. Согласно закону сохранения импульса, два фотона должны разлетаться в точно противоположных направлениях: если один из них из бака-мишени попадает в верхний бак-детектор, то другой должен попасть в нижний бак-детектор. В каждом баке-детекторе возникает вспышка света. Эти вспышки тотчас же автоматически регистрируются сотней или более фотоумножителей, расположенных вокруг баков с водой.

А что же происходит с нейтроном? Обычно он просто блуждает среди молекул воды (которые очень редко поглощают нейтрон), сталкиваясь с ними, пока самопроизвольно не распадется в среднем через 12,8 мин после своего возникновения. Однако ждать так долго ни к чему, так как распад может произойти на несколько минут раньше или позже. Вот здесь-то и приходит на помощь хлористый кадмий в баке-мишени. Нейтрон блуждает до тех пор, пока не столкнется с атомом кадмия, тогда он почти мгновенно поглощается. Происходит это в течение нескольких миллионных долей секунды после аннигиляции позитрона — срок довольно короткий и все же достаточный, чтобы разделить во времени два события: аннигиляцию позитрона и поглощение нейтрона. При поглощении нейтрона атомом кадмия выделяется энергия, которая тотчас излучается в виде трех или четырех фотонов с суммарной энергией 9 Мэв.

Итак, Коуэн и Рейнес наблюдали следующую картину: сначала одновременно появлялись два фотона с энергией 0,5 Мэв каждый, которые регистрировались двумя фотоумножителями на противоположных сторонах баков с водой, затем через несколько миллионных долей секунды следовало одновременное образование трех фотонов с энергией 3 Мэв каждый (иногда четырех фотонов с энергией 2,25 Мэв каждый). Никакое другое субатомное взаимодействие не приводило к такой последовательности событий. И если был зарегистрирован именно такой ход событий, разумно было заключить, что протон поглощает антинейтрино, следовательно, антинейтрино действительно существует.

Но тут в осторожных умах экспериментаторов возникла другая мысль. А что если такая последовательность событий вызвана не одним субатомным взаимодействием, а двумя?

Предположим, что каким-то образом возник позитрон, а через несколько миллионных долей секунды атом кадмия поглотил нейтрон, который существовал независимо от позитрона. В таком случае появление двух, а затем трех фотонов явилось бы результатом не одного взаимодействия (антинейтрино с протоном), а двух совершенно несвязанных взаимодействий. Какое же взаимодействие наблюдали Коуэн и Рейнес?

Экспериментаторы решили проблему, произведя свои измерения сначала с работающим реактором, а затем с выключенным. Если реактор выключить, на баки будет действовать шум, а бомбардировка их потоком антинейтрино прекратится. (На самом деле в окружающем пространстве всегда имеются антинейтрино, но их число намного меньше числа антинейтрино вблизи работающего реактора.) Следовательно, при выключенном реакторе продолжали бы регистрироваться двойные совпадения, а поглощение антинейтрино прекратилось бы.

Оказалось, что с выключенным реактором регистрировалось на 70 событий в день меньше, чем с включенным. Значит, в день поглощалось и регистрировалось 70 антинейтрино (по одному каждые двадцать минут). Результаты эксперимента можно было считать несомненным доказательством, и в 1956 году было сделано сообщение, что спустя целых двадцать пять лет после того, как Паули впервые предсказал существование антинейтрино, такая частица была наконец зарегистрирована. Об этом событии обычно говорят как о «регистрации нейтрино», хотя было зарегистрировано антинейтрино. Однако после того, как «изловили» антинейтрино, физики считают, что существование нейтрино не вызывает сомнения.