Частица нейтрино
Если считать возрастом элементарной частицы время, в течение которого ее знают люди, то частица нейтрино сравнительно молода. Впервые о ее существовании начали догадываться лишь в 1931 году.
Мир элементарных частиц
Вопрос касался одного из видов ядерной реакции, при котором, казалось бы, нарушался закон сохранения энергии и массы. Даже крупнейший датский физик Нильс Бор предложил отказаться от этого закона, когда речь идет о мире элементарных частиц.
Это было, конечно, неправильно, и швейцарский физик Вольфганг Паули высказал другое предположение:
Раз ядро до того, как оно выбросит электрон, оказывается больше, чем суммарная масса оставшегося ядра и электрона, значит, мы не все происшедшее учли. Видимо, одновременно с электроном из ядра выбросилось еще что-то, чего не хватает в общем итоге операции.
Итальянский физик Энрико Ферми предложил назвать эту выбрасываемую чисто гипотетическую частицу нейтрино, что в точном переводе означает нейтральненькая.
Возраст частицы нейтрино
Такой частицей-призраком она оставалась ни много ни мало - четверть века, до 1957 года, пока американские ученые Рейне и Коуэн наконец экспериментально не установили ее существование. Если считать возраст частицы нейтрино с этого дня, то она сегодня находится еще в юношеском возрасте. Не подумайте, что нейтрино чрезвычайно редкая частица и поэтому ее так трудно было обнаружить. Ничего подобного!
Нейтрино возникает при обычных ядерных реакциях, например при распаде нейтрона на электрон и протон. А ведь нейтрон не «вечная частица». Свободный нейтрон распадается всего через десять минут на протон и электрон. Можно с уверенностью сказать, что Вселенная залита потоками нейтрино не меньшей интенсивности, чем потоками фотонов видимого света.
Свойства нейтрино
Трудность обнаружения нейтрино объясняется ее удивительными свойствами.
- Сравнительно недавно выяснилось, что нейтрино, подобно фотону, не имеет массы покоя, она может существовать только в состоянии движения с максимальной скоростью - триста тысяч километров в секунду.
- Она не оставляет никаких следов ни в эмульсии фотопластинок, ни в пузырьковых камерах, вообще ни в каких устройствах для обнаружения элементарных частиц. К тому же нейтрино почти не реагирует ни с одним из жителей микромира.
- Через самое плотное вещество она проходит так же легко, как сквозь пустоту космоса. Чугунная стена толщиной от Земли до Солнца так же прозрачна для нейтрино, как оконное стекло для луча света.
Понятно, почему эта частица так долго ускользала от внимания физиков. Природа казалось сделала все возможное, чтобы обеспечить ее неуловимость.
Доказательство существования нейтрино
Теоретические расчеты показали, что один раз за миллион миллиардов километров движения сквозь вещество нейтрино должно взаимодействовать, столкнувшись с протоном. Вот это редчайшее событие и позволило доказать существование нейтрино. Миллион миллиардов километров вещества заменили десятью миллиардами миллиардов нейтрино, рождаемых ежесекундно в атомном реакторе мощностью в 300 тысяч киловатт.
Рядом с таким реактором поместили целую цистерну с веществом, содержащим большое количество водорода. Ведь ядро водорода - это и есть тот самый одиночный протон, с которым должны были реагировать нейтрино. При реакции протона с нейтрино должны возникать нейтрон и позитрон. Мгновенная гибель позитрона должна была давать вспышку света, которая регистрируется фотоумножителем.
Нейтрон, проблуждав некоторое время, неизбежно должен был влиться в какое-нибудь ядро атома вещества и также вызвать выброс фотонов. Вот эти две вспышки света и должны были свидетельствовать о реакции нейтрино с протоном.
Подготовка этого опыта заняла пять лет, но зато он подтвердил: нейтрино существует. Еще одна гипотеза стала установленным фактом. Впоследствии ученым удалось доказать, что существует несколько видов нейтрино и антинейтрино.
Частица нейтрино в помощь людям
И наконец, настал день, когда ученые с помощью нейтрино решили заглянуть во внутренние области нашего центрального светила - Солнца. Впрочем, идея такого использования нейтрино была рождена очень давно.
Частица нейтрино практически прозрачное вещество, значит, оно должно помочь людям заглянуть в бездны, закрытые гигантскими его стенами. Ну, например, в бездны звезд, которые выделяют огромное количество лучистой энергии и порождают мощные потоки нейтрино.
Конечно, устройства для «просвечивания» звезд будут резко отличаться от рентгеновских аппаратов. Очевидно, в первую очередь целесообразно сосредоточить внимание на потоках нейтрино, рождающихся в этих безднах. Ведь возникшие нейтрино, мгновенно покидающие свой родильный дом, не могут не нести в себе какие-то знаки своего рождения.
Если бы мы могли четче регистрировать полеты нейтрино, сколько бы нового мы узнали! И о далеких звездах, и о сверх далеких, и о близком Солнце. Ну а разве ничто не интересует нас в глубинах нашей Земли? Так ли уж хорошо мы знаем ее тайны, скрытые в центральном ядре и в глубочайших слоях?
Опыт основанный на свойствах частиц нейтрино
Вот один из опытов, который решили поставить ученые, основываясь на свойствах частицы нейтрино. Он начался еще в 1968 году, когда американский физик Р. Дэвис решил поставить «градусник» самому Солнцу.
Но не поверхностному его слою, температура которого давно измерена, а его недрам, той его сердцевине, в которой царствует температура до 13 миллионов градусов и где вершатся атомные реакции, сопровождающиеся вылетом нейтрино. Для этого он поместил 390 кубических метров хлорсодержащего вещества глубоко на дно заброшенной шахты.
Это было сделано, чтобы исключить влияние «фоновых реакций», вызываемых космическими лучами. Нейтрино обладают способностью, хотя и очень редко, но взаимодействовать с одним из изотопов хлора, превращая его в аргон. Затем в ходе опыта следовало отделить нестабильные атомы аргона и пропустить их через специальный счетчик, регистрирующий их распады с достаточно высокой точностью.
Дэвис рассчитал, что если внутренние области Солнца обладают температурой более 15 миллионов градусов, при которых идет вышеназванная реакция, то во взятом им объеме хлора будет протекать одна реакция в сутки. Все казалось достаточно четко сбалансированным, но... Прошло 35 суток. Аппарат отметил не более чем пять прореагировавших с хлором солнечных нейтрино!
В семь раз меньше, чем ожидалось! Во второй серии наблюдений в течение такого же срока было зарегистрировано еще меньше солнечных нейтрино: не больше четырех! Дэвис всерьез занялся совершенствованием своего аппарата. Ему удалось резко снизить мешающий фон. Он использовал сверхчистые вещества. Несколько лет продолжалось совершенствование аппаратуры.
Работа физиков-теоретиков
Одновременно большую работу провели и физики-теоретики. Они неоднократно проверили всевозможные нюансы ожидаемой реакции, изучили все причины, которые могли бы вызвать снижение количества излучаемого Солнцем потока нейтрино. Но и эти совместные работы не смогли спасти положение: приборы Дэвиса по-прежнему регистрируют едва четверть тех нейтрино, которые по расчетам должно излучать наше Солнце.
Почему же оно их не излучает? Почему солнечная термоядерная электростанция работает не по расчетному режиму? Вероятнее всего, температура солнечных глубин не достигает 15 миллионов градусов, а следовательно, и углеродно-азотный термоядерный цикл, который большинство ученых считают ответственным за горячую службу Солнца планетам, не является главным источником энерговыделения Солнца.
Почему? Первое, о чем может подумать человек, не слишком хорошо разбирающийся в тайнах солнечных реакций: не началось ли резкое остывание Солнца? Ведь сегодняшняя температура поверхности Солнца, которая берется в качестве исходной при всех расчетах его внутренних областей, отражает лишь то их состояние, которое они имели около 10 миллионов лет назад.
Рождающиеся там фотоны «добираются» до поверхности светила только за такой промежуток времени. Это и понятно: они бесчисленное количество раз бывают вынуждены поглощаться и снова излучаться на пути в 700 тысяч километров, ведущем от его центральных областей к поверхности. А нейтрино проделывают этот путь практически мгновенно - всего за 2,5 секунды.
И не является ли отмеченный дефицит нейтрино следствием того, что несколько миллионов лет назад Солнце начало постепенно гаснуть, о чем по интенсивности его лучей мы узнаем еще через несколько миллионов лет? Достаточно четкое знание химического состава Солнца убедительно свидетельствует, что Солнце будет светить еще, не угасая, миллиарды лет, и беспокоиться нашему поколению нечего.
Физики-теоретики, которым это понятнее всего, не стали даже обсуждать возможности угасания Солнца, а стали искать другие причины обнаруженного несоответствия расчетов и данных опыта.
Гипотезы проведенных опытов с участием частиц нейтрино
Вот предположение, выдвинутое английскими астрофизиками Ф. Дили и Д. Гуфом. Благодаря различию в ходе ядерных реакций в центре Солнца и на его периферии его химический состав неоднороден: на периферии образуется избыток одного из изотопов гелия - гелия-3.
Когда неоднородность переваливает какой-то рубеж, начинается конвекция, перемешивание всего объема Солнца. Вначале добавка свежего гелия-3 в центральные области нашего светила увеличивает темп реакций и повышает температуру ядра, но затем ядро расширяется, его температура падает. Одновременно уменьшается и поток нейтрино.
Весь объем Солнца довольно быстро перемешивается. Наше светило также несколько увеличивается в объеме и слегка остывает. Светимость его на несколько процентов уменьшается, а полное равновесие восстанавливается через 250 миллионов лет. И опять начинается накопление гелия-3 в периферийных областях Солнца. И все может начать повторяться снова.
Период этого процесса - около 250 миллионов лет. Конечно, происходящее с Солнцем не может не вызывать каких-то периодических изменений на Земле. Изменение количества получаемой Землей солнечной энергии на несколько процентов не может проходить бесследно.
Английские астрофизики считают, что последний минимум солнечного излучения произошел около 3 миллионов лет назад, предшествующий, видимо, около 250 миллионов лет назад. Оба эти минимума совпадают со значительными оледенениями нашей планеты.
Вот какую длинную цепь гипотез вызвала за собой попытка поставить градусник Солнцу! Некоторые ученые полагают, что первый опыт работы нейтринного телескопа, первая попытка заглянуть в глубины солнечных недр пока принесли только «негативные» результаты.
Таким результатом они считают несовпадение теоретической расчетной температуры нашего Солнца с его действительной температурой, оказавшейся ниже 15 миллионов градусов. Но почему считать этот результат «негативным»?
И каким еще способом можно было бы поставить градусник в центральные области Солнца? Каким еще способом можно было узнать о неравномерности в его деятельности, что еще раскрыло бы нам причины хотя бы нескольких ледниковых периодов? Сегодня ответы на все эти вопросы лишь на уровне гипотез.