Лекции о Солнце - читать онлайн книгу. Автор: Сергей Язев cтр.№ 33

Но тогда, скажет читатель, это принципиально непроверяемый тезис! Если нейтрино не взаимодействует с веществом, то они не будут взаимодействовать и с нашими приборами, а значит, мы не сможем доказать, существуют ли вообще эти частицы и действительно ли они летят в таком гомерическом количестве из недр Солнца! Согласно принципу фальсификации, проверить это невозможно, следовательно, все рассуждения о нейтрино не относятся к разряду научных!

К счастью, это будет преждевременное утверждение. Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом, но все-таки взаимодействуют. И та же самая теория подсказывает, что именно может произойти, если такое взаимодействие осуществится.

Метод был впервые предложен в 1946 году академиком Бруно Понтекорво (1913–1993) – итальянским физиком, с 1950 года работавшим в СССР. Это тот самый Понтекорво, о котором пел Владимир Семенович Высоцкий:

Метод Понтекорво был реализован спустя 11 лет Раймондом Девисом (1914–2006) в США, получившим за свои исследования Нобелевскую премию по физике в 2002 году. Оказывается, атомы хлора способны поглощать нейтрино с энергиями выше определенного предела, испуская при этом электрон и превращаясь в радиоактивные ядра изотопа аргона с периодом полураспада 35 дней.

В штате Южная Дакота Дэвис поставил первый в истории хлор-аргонный эксперимент. В шахте на глубине 1455 метров был установлен резервуар с жидким перхлорэтиленом – веществом, богатым хлором. 615 тонн вещества были спрятаны так глубоко, чтобы защититься от космических частиц высоких энергий, которые могли вызвать эффекты, такие же, как и ожидаемые от солнечных нейтрино. Почти полтора километра земной породы надежно защищали установку от проникновения любых частиц, кроме нейтрино. Нейтрино от Солнца должны были попадать в установку Дэвиса «снизу», пройдя сквозь всю Землю!

Чувствительность метода должна была стать абсолютно фантастической. Специально для этих экспериментов была введена специальная единица – SNU, или Solar Neutrino Unit. Один SNU соответствует потоку нейтрино, при котором в детекторе, содержащем 10³⁶ (миллиард миллиардов миллиардов миллиардов) ядер атомов хлора-37 образуется одно ядро изотопа аргона-37 за секунду. Были разработаны специальные физико-химические методы извлечения отдельных ядер аргона из огромной массы хлора.

Теория предсказывала, что с учетом конкретной массы вещества в хлорном детекторе и небольшого фона, все-таки создаваемого космическими лучами (частицами несолнечного происхождения), изредка должны регистрироваться реакции поглощения солнечных нейтрино хлором, соответствующие примерно восьми SNU. На практике детектор Дэвиса регистрировал поток нейтрино, в среднем соответствовавший втрое меньшей величине – примерно 2,55 SNU (одна солнечная частица за два-три дня). Таковы итоги этого почти двадцатилетнего эксперимента.

Поток солнечных нейтрино был обнаружен! Это подтверждало теорию ядерного синтеза: другие способы производства нейтрино в недрах Солнца неизвестны. Но расхождение с теорией вызывало подозрение: что-то неладно либо в методике эксперимента, либо в теории.

Еще один важный принцип в науке – это воспроизводимость результата. Если эффект существует, он должен фиксироваться и на других установках.

Теория допускала взаимодействие потока нейтрино не только с атомами хлора. Советский физик Вадим Алексеевич Кузьмин (1937–2015) предложил новый тип эксперимента на основе захвата нейтрино ядрами атомов галлия. В результате галлий должен превращаться в радиоактивный германий с периодом полураспада 11,4 суток. Согласно теории, для регистрации одного захвата нейтрино в сутки было достаточно существенно меньшей массы детектора – 20 тонн галлия.

Советский (через год ставший российским) детектор, готовившийся совместно с США, заработал в 1990 году. Резервуар с 57 тоннами галлия был размещен в глубине горы на Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН в Баксанском ущелье на Северном Кавказе (эксперимент SAGE).

В 1991 году в Гран Сассо в Итальянских Альпах был дан старт второму проекту со схожей методикой (итало-немецкий эксперимент GALLEX, 30 тонн галлия). Предварительные результаты оказались следующими: SAGE – 73 SNU, GALLEX – 79 SNU. Но теория предсказывала 122–132 SNU!

Исследования продолжались. В шахте Камиока (Японские Альпы) на глубине 1000 метров был размещен водный детектор Камиоканде-II. Идея эксперимента на этот раз сводилась к использованию 680 тонн воды в качестве рабочего вещества. Согласно теории, нейтрино иногда должны взаимодействовать с электронами атомов в молекулах воды. В результате рассеяния отдельных частиц в недрах детектора в полной темноте должны возникать вспышки света так называемого черенковского излучения. В стенках резервуара были размещены чувствительные фотоумножители. Первые измерения показали: схема работает, нейтрино фиксируются – но их поток снова оказывался вдвое меньше, чем предсказывала теория!

Модернизированный эксперимент «Супер-Камиоканде» позволил не только фиксировать отдельные взаимодействия нейтрино с веществом детектора, но даже впервые построить размытое «нейтринное» изображение Солнца. Поток нейтрино от Солнца уверенно регистрировался во всех экспериментах. Это означало, что термоядерные реакции в недрах Солнца, безусловно, идут! Но проблема оставалась серьезной: количество нейтрино было меньше, чем предсказывала теория. При этом в разных экспериментах расхождения с расчетами были различными (в два, три, четыре раза).

Конечно, разные установки фиксировали немного разные нейтрино – частицы с различными энергиями. Конечно, всегда оставалось сомнение, насколько корректно проведена обработка данных, насколько правильно работает установка, насколько учтены все инструментальные эффекты, – эксперимент был немыслимо сложным! Методика совершенствовалась, расхождения постепенно уменьшались, но оставались значимыми.

Исследователи постепенно склонялись к мысли, что дело не в погрешностях теории ядерного синтеза на Солнце, а в недостатках наших представлений о том, что такое сами нейтрино!

И действительно, низкая способность нейтрино к взаимодействию с веществом существенно осложняла, осложняет и будет осложнять исследование этих частиц. Некоторые основные свойства нейтрино были вообще неизвестны. Например, согласно первоначальным вариантам теории, нейтрино вообще не обладают массой, и в этом смысле они казались похожими на частицы света – фотоны – и должны передвигаться со скоростью света. Постепенно накапливались основания для подозрений, что масса у нейтрино все-таки есть, но очень маленькая, существенно меньше, чем, например, у электрона. Но тогда теория допускала, что могут существовать нейтрино нескольких «сортов»!

Более того, в соответствии с теорией представлялись возможными превращения нейтрино одного сорта в нейтрино других сортов (так называемые осцилляции нейтрино). Эта идея впервые была высказана в 1968 году все тем же Бруно Понтекорво. Один из сортов частиц (так называемые правополяризованные, или стерильные нейтрино) вообще не должны взаимодействовать с веществом! Если предположить, что в процессе движения от центра Солнца до земного детектора часть нейтрино претерпевает осцилляции (превращается, например, в стерильные), то вполне естественно, что количество регистрируемых частиц должно уменьшиться.