Страницы развития нейтринной физики
Б.М.Понтекорво «Успехи физических наук», 1983, 141, 4, 675— 709.
Радиохимические методы регистрации нейтрино и хлор-аргонный метод
<…>Теперь я хотел бы дать субъективный отчет о нескольких страницах развития нейтринной физики, к которым я некоторым образом причастен. В 1946 году нейтрино рассматривались, вообще говоря, как недетектируемые частицы. Многие уважаемые физики придерживались того мнения, что даже вопрос о детектировании свободных нейтрино просто бессмыслен <...> так же, как, скажем, бессмыслен вопрос, бывает ли в сосуде давление, меньше чем 10-50 атм. <...> Мне пришло в голову, что проблема может быть решена радиохимическим методом, т. е. путем химической концентрации изотопа, образующегося при обратном бета-процессе из очень большой массы вещества, облучаемого нейтрино (получаемых при работе ядерного реактора. — Примеч. ред.). После внимательного изучения знаменитой таблицы искусственных изотопов Сиборга были найдены несколько возможных кандидатов на мишени, среди которых наиболее подходящими оказались соединения хлора. Соответствующая реакция выглядит следующим образом: ν + 37С1 → 37Аr + е-, где 37Аr распадается с высвобождением 2,8 кэВ энергии в виде рентгеновских лучей и электронов Оже (то есть вылетающих из внутренних оболочек атома. — Примеч. ред.) <...> Как-то в 1947 или 1948 г. я проезжал через Цюрих и завтракал с Прайсверком и Паули. Я рассказал Паули о моих планах с хлор-аргонным методом. Сама идея ему очень понравилась... До 1950 г. я продолжал размышлять над этой проблемой, испытывая пропорциональные счетчики с низким фоном, имея в виду как эту задачу, так и проблему Солнца. <…>
Как мы знаем теперь, после недавних успешных экспериментов Дэвиса, эффективный фон в моих счетчиках был достаточно низок, чтобы можно было регистрировать солнечные нейтрино по распаду 37Аг.
Осцилляции нейтрино и Солнце
<…> В 1957—1958 гг. я впервые рассмотрел осцилляции типа мюоний-антимюоний (псевдоатом, ядром которого служит антимюон с обращающимся вокруг электроном или мюон с позитроном. — Примеч. ред.), и мне стало ясно, что осцилляции в физике частиц могут иметь место не только в случае бозонов <...>, но и в случае электрически нейтральных фермионов. При этом хорошим кандидатом, по моему мнению, были бы осцилляции нейтрино. В то время еще не было известно, что по крайней мере существует два типа нейтрино. Тогда царила теория продольного (двухкомпонентного) безмассового нейтрино, которая не допускает осцилляции. Однако если имеются отклонения от теории продольного нейтрино, то массы нейтрино конечны и осцилляции могут иметь место. В соответствии с этим мною были рассмотрены осцилляции <...> из нейтрино в стерильное нейтрино и соответственно введено понятие стерильности нейтрино. (Стерильное нейтрино — то, которое не участвует в слабых взаимодействиях, и, стало быть, мы его не можем почувствовать иначе, как гравитационно. Стерильны правозакрученное нейтрино или левозакрученное антинейтрино. — Примеч. ред.)
<…> К вопросу об осцилляциях нейтрино я возвратился в середине 60-х гг. В то время мне стало совершенно ясно, что возможное явление осцилляции имеет первостепенную важность для постановки опытов по проблеме конечных нейтринных масс и возможного несохранения лептонного заряда, а также для астрофизики. Я не видел принципа, требующего нулевой массы нейтрино, и поэтому малая, но конечная масса нейтрино казалась мне не менее красивой возможностью, чем нулевая масса. Выделено ли нейтрино (нулевая масса!) среди фермионов или нет (конечная масса!) — вот вопрос, который следовало решить экспериментом. Как раз в 1967 г. меня попросили написать статью для книги, издававшейся в честь 60-летия Джильберто Бернадини; уже будучи «энтузиастом» осцилляций нейтрино, я написал статью по осцилляциям. … В работе 1967 г. впервые рассматривались вопросы, которые до сих пор не потеряли своей актуальности: 1) исключительно высокая чувствительность метода осцилляций для получения сведений о крайне малых значениях нейтринных масс, 2) постановка опытов по осцилляциям нейтрино на реакторах, ускорителях и космических лучах, 3) условия, при которых осцилляции лептонного числа приводят к осцилляциям ароматов, 4) условная стерильность нейтрино, обусловленная эффектом порога (низкоэнергетические мюонные нейтрино) и, наконец, 5) первостепенная важность осцилляций нейтрино для будущих экспериментов в области нейтринной астрономии Солнца (в присутствии осцилляций половина испускаемых Солнцем нейтрино может превращаться в недетектируемые частицы). <...> Первое количественное (если хотите, серьезное) обсуждение осцилляций нейтрино дано в 1968 году в работе «Нейтринная астрономия и лептонный заряд».
<…> Я хотел бы сказать два слова о нейтрино от Солнца. Измерения интенсивности нейтрино от Солнца — чрезвычайно чувствительный метод поиска осцилляций нейтрино. Это связано с тем, что энергия солнечных нейтрино мала, а расстояние между Землей и Солнцем огромно. Часто говорят, что для интерпретации так называемой загадки солнечных нейтрино, т. е. нехватки измеренной Дэвисом хлор-аргонным методом интенсивности нейтрино от Солнца по сравнению с вы- численной Бакалом <...> мною было дано объяснение ad hoc в терминах осцилляций нейтрино. Все произошло немного иначе. В действительности я, поверив в возможную реальность осцилляций нейтрино, предсказал, что может появиться нехватка вплоть до множителя 1/2 нейтрино от Солнца в будущих опытах Дэвиса...
В заключение я хотел отметить, что сегодня вопрос об осцилляциях нейтрино стоит очень остро и во всем мире выполняются и готовятся эксперименты по поискам этого явления. Будущее поколение опытов с нейтрино от Солнца — это самая обещающая перспектива. <...> В Дубне мы по-настоящему поверили в важность осцилляции, в частности докладывали систематически на крупных международных конференциях об осцилляциях, даже когда эта тематика еще не была модной.
Мы не меняли нашего мнения<...>
Из истории нейтрино: Паули
Трудно найти пример, где слово «интуиция» характеризовало бы человеческий подвиг лучше, чем в случае изобретения нейтрино Паули. <…>50 лет тому назад были известны только две элементарные частицы — электрон и протон, и даже мысль, что для понимания вещей необходимо ввести новую частицу, была сама по себе революционной. Какая разница по сравнению с сегодняшним положением, когда масса людей при возникновении малейшей провокации готова изобрести любое число частиц! <...>
Может быть, не все знают, что первая идея о существовании нейтрино появилась в письме Паули группе специалистов по радиоактивности, которые должны были собраться на встречу в Тюбингене. Письмо начинается словами: «Дорогие радиоактивные дамы и господа...» На этом совещании Паули не присутствовал, поскольку большего он ожидал от бала, на котором хотел быть в Цюрихе вечером 6 декабря 1930 г. Однако это письмо содержало не только шутки! В нем были две идеи, которые могли принадлежать только человеку с гениальной интуицией. Эти идеи я сейчас сформулирую в сегодняшней и в паулевской терминологии:
1. В ядрах должны существовать электрически нейтральные частицы — нейтроны (Паули также называл их нейтронами), имеющие спин 1/2.
2. В бета-распаде совместно с электроном должна быть испущена нейтральная частица — нейтрино (Паули и ее назвал нейтроном) таким образом, что полная энергия электрона, нейтрино и ядра отдачи имеет определенное значение.
По существу, Паули, изобрел две частицы одновременно, причем обе они были очень нужны <...>
Из истории нейтрино: Ферми
Следующий колоссальный шаг был сделан Ферми. Ферми познакомился неофициально с гипотезой Паули в Риме на международном Конгрессе по ядерной физике, на котором обсуждалась проблема бета-распада. Именно здесь Бор высказывался в пользу несохранения энергии. Большое впечатление на Ферми произвела частица Паули, которую он начал называть «нейтрино» <...>
Я хотел бы сообщить здесь некоторые курьезные факты, связанные с появлением этой теории, факты, свидетелем которых я был сам, поскольку в это время работал в Риме.
1. Журнал «Nature» отказался публиковать статью Ферми, поскольку она выглядела слишком абстрактной для того, чтобы заинтересовать читателей. Я уверен, что издатель всю жизнь раскаивался в этом.
2. Второй курьез относится к трудностям, с которыми столкнулся Ферми при построении своей теории. Это были трудности не математического характера, а физического. Необходимую математику, вторичное квантование он освоил быстро, но самым трудным для него было понимание того факта, что электрон и нейтрино рождаются, когда нейтрон переходит в протон. Конечно, сегодня это знает каждый студент: взаимодействия элементарных частиц объясняются обменом элементарными частицами. Это — квантовая теория поля, которая является неизбежным следствием квантовой теории и теории относительности. Частицы рождаются и уничтожаются. Это и вызвало затруднение у Ферми <...>
Я все еще помню его слова: когда возбужденный атом натрия испускает линию 5890 А, фотон не «сидел» в атоме (он рождался); точно так же, когда нейтрон переходит в протон, рождаются электрон и нейтрино.
<..> Я хотел бы еще раз подчеркнуть, что наши знания с тех пор возросли в огромной степени; однако все (или почти все) новые факты удивительным образом укладываются в картину, нарисованную Ферми <...>
Из истории нейтрино: Майорана
Я чувствую, что тут уместны несколько слов о третьем гиганте — Этторе Майоране, личность которого может вызвать огромный интерес не только у физиков, но и у писателей.
Когда в 1931 г. студентом третьего курса я пришел в Физический институт Королевского университета в Риме, Майорана, которому в то время было 25 лет, был уже хорошо известен узкому кругу итальянских физиков и зарубежных ученых, которые работали некоторое время в Риме под руководством Ферми. ...Согласно шуточному лексикону, использовавшемуся в римской лаборатории, физики, разыгрывая из себя членов религиозного ордена, дали «непогрешимому» Ферми прозвище Папы, а «устрашающему» Майоране — Великого Инквизитора. На семинарах он обычно молчал, но время от времени — и всегда к месту — вставлял саркастические и парадоксальные замечания. Майорана был постоянно недоволен собой (и не только собой!). Он был пессимистом, но с очень острым чувством юмора. Трудно представить себе людей со столь различными характерами, как Ферми и Майорана. В то время как Ферми был очень простым человеком (с небольшой оговоркой: он был гением!) и считал обычный здравый смысл весьма ценным человеческим качеством (которым он, безусловно, был наделен в высшей степени), Майорана руководствовался в жизни очень сложными и абсолютно нетривиальными правилами. Начиная с 1934 г. он все реже стал встречаться с другими физиками и посещать лабораторию. В 1938 г. он исчез в буквальном смысле этого слова. Вероятно, он покончил с собой, но абсолютной уверенности в этом нет <...>
Потому, что он не любил публиковать результаты своих исследований, вклад Майораны в науку гораздо меньше, чем он мог бы быть. Например, публикации знаменитой статьи, относящейся к нейтринной физике, способствовал просто счастливый случай. В 1937 г. Майорана решил принять участие в конкурсе на университетскую кафедру. Статью, о которой идет речь, он написал просто для того, чтобы повысить свои шансы на получение этой кафедры! Не будь этого случая, она, возможно, никогда бы и не появилась в печати. Теперь я вернусь к физике <...>
Специально для молодого читателя, который с самого начала своей деятельности привык слышать не только об электрических, но также и о других типах «зарядов» (барионном, лептонном и т. д.), я хотел бы подчеркнуть, что в 1937 г. было известно только понятие электрического заряда. Именно Майорана первым ввел явно представление об истинно нейтральных фермионах, или частицах Майораны, т. е. фермионах, которые идентичны своим собственным античастицам. Частицы Майораны были названы им «двухкомпонентными» (одна частица с двумя ориентациями спина), в то время как частицы Дирака являются четырехкомпонентными (частица и античастица, каждая с двумя ориентациями спина).
Майорановские частицы — это фермионы, которые не имеют ни электрического, ни какого-либо другого заряда. <...> Заметим, что в явной форме понятия барионного и лептонного зарядов были введены только в 1949 и в 1953 гг. <...>