Охотники за частицами
Шрифт:
Схема опыта Коуэна и Рейнса по «поимке» нейтрино. Нейтрино (пунктирная линия) встречает протон в точке 1 и превращает его в нейтрон и позитрон. Последний в точке 2 аннигилирует с электроном, испуская два гамма-кванта. Эти кванты регистрируются верхним и нижним счетчиками сцинтилляций. Нейтрон блуждает в растворе несколько миллионных долей секунды (зигзагообразная линия),
Первый вопрос, который встал перед ними, — где искать? В космических лучах? — бесполезное дело. Нельзя же избрать для охоты заповедник во многие миллиарды кубических километров, по которому бродят нейтрино.
Возле мощных ускорителей — это лучше. Заповедник поменьше, но нейтрино все равно мало — какие-нибудь тысячи штук в секунду от распадов мезонов, образовавшихся в мишени ускорителей.
Лучше всего ядерный реактор. Вместо того чтобы миллионы лет охотиться за тысячами частиц, лучше несколько месяцев охотиться за миллиардами частиц!
А из реактора летят целые тучи нейтрино. Ежесекундно в нем появляются при развале ядер триллионы нейтронов. Ежесекундно они захватываются ядрами, образуя радиоактивные изотопы. А эти изотопы, испытывая бета-распад, выбрасывают полчища электронов в паре с их неуловимыми сообщниками.
Электроны — те застревают в теле реактора и толстенной его защите. Нейтрино же проходят сквозь эти стены, словно через пустое место. Вот тут и надо расположить сеть для их поимки, решили ученые.
Второй вопрос — как искать? Решение было очень остроумным — вернуть нейтрино в ядро! Разумеется, не в то, из которого он вылетел, а в другое, поставленное на его пути.
Как возникают нейтрино? Нейтрон в ядре распался на протон, электрон и нейтрино. А если теперь нейтрино столкнется с протоном, то распад пойдет «обратным ходом»: возникнут нейтрон и позитрон.
Но ход обратного процесса будет чудовищно медленным. Миллиарды миллиардов нейтрино пройдут сквозь протон, как через пустое место, и лишь один из них соблаговолит заметить его присутствие. На этом и был построен весь план поимки нейтрино.
Суть опыта такова.
Позитрон, возникший при захвате нейтрино протоном, уносит с собой приличную энергию и должен ионизировать атомы на своем пути. Пройдя один или два сантиметра (на это ему потребуется лишь стомиллиардная доля секунды), он растратит свою кинетическую энергию и будет проглочен первым встречным зеркальным братом — электроном. На свет появится пара фотонов гамма-лучей.
Новорожденный нейтрон обделен энергией и движется медленно. Он блуждает, сталкиваясь с ядрами, и еще более замедляет свое движение. В конце концов его съедает какое-нибудь ядро, в результате чего испускается радиоактивное излучение, например те же гамма-фотоны.
Помните счетчик с
После размышления ученые решили заменить кристалл жидкостью, обладающей подобными свойствами. Выбрали толуол. Чтобы увеличить число «реагирующих» с нейтрино протонов, в бак долили жидкость, богатую водородом. И наконец, чтобы сократить время блуждания новорожденного нейтрона, к смеси добавили кадмий: его ядра хватают нейтроны с невиданной жадностью. Теперь нейтрон гуляет в свободном виде лишь какие-нибудь миллионные доли секунды.
Все эти жидкости залили в огромный бак — чуть ли не на 15 кубометров. Чего стоила одна лишь их очистка даже от совершенно ничтожных загрязнений! Уж этот опыт должен был быть сверхчистым!
Очистили и бак, а стенки его покрыли белой краской, чтобы они совершенно не поглощали слабого света вспышек толуола. Наконец, в жидкость добавили специальное вещество, которое придавало вспышкам цвет, наилучшим образом отражавшийся стенками. И, наконец, встроили в стенки бака несколько сотен самых лучших фотоумножителей.
И все это сооружение с величайшими предосторожностями захоронили в защитной стене одного из самых мощных ядерных реакторов. Наружу выходили лишь провода питания фотоумножителей и провода, по которым передавались сигналы от них.
Образование позитрона почти мгновенно давало вспышку в жидкости — сначала от ионизации, а затем от его аннигиляции. Обе эти вспышки следовали друг за другом быстро и практически сливались в одну. Затем спустя миллионные доли секунды следовала вторая вспышка от гамма-квантов, выброшенных ядром кадмия при захвате блуждавшего нейтрона.
Ученые засели за счет вспышек. Но прежде всего они застраховали себя. В конце концов такая комбинация вспышек могла быть вызвана разными случайными причинами — и космическими лучами, и радиоактивностью неработающего реактора, и многими другими.
Поэтому, еще до того как замуровать бак в стену реактора, они провели длительный контрольный опыт. Вы уже догадываетесь, что они считали фон. И только после этого начался долгий решающий опыт.
Медленно набираются редкие вспышки при работающем реакторе. Одна, вторая, третья. И только спустя длительное время становится ясным, что число вспышек в баке при работающем реакторе уже чуть-чуть превышает их число в контрольном опыте. Какие-нибудь три дополнительные вспышки в час.
Чуть-чуть! Но это несомненное «чуть-чуть». Оно выходит за пределы ошибок опыта. Единственной его причиной может быть только существование нейтрино.
Вот и все. Вы, должно быть, разочарованы? Вы ожидали чего-то весомого, зримого, яркого? Тогда еще раз перечитайте предыдущие главы этой книги. И вам станет ясно, что в невесомом и столь трудноуловимом мире сверхмалых частиц самые выдающиеся победы достигнуты, в сущности, косвенным путем.
И глаз не видит, и ухо не слышит, и зуб неймет! Но то, что недоступно чувствам, покоряется мощи человеческого разума.
Глава 9
Величие сверхмалого