Охотники за частицами

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), а затем захватывается ядром кадмия в точке 3. При этом рождаются три гамма-кванта, которые регистрируются сцинтилляционными счетчиками. Если такая цепочка событий следует с интервалом в миллионные доли секунды, значит, она вызвана нейтрино. На стр. 203 — общий вид установки Коуэна и Рейнса. Видны некоторые из 90 фотоумножителей, встроенных в стенку белого бака.

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 кристаллом и фотоумножителем на «баррикадах»? Он очень активно реагирует на приход гамма-квантов, и потому его решили использовать экспериментаторы. Но очень крупного кристалла не вырастишь, а чем больше его объем, тем лучше — тем большее пространство можно обозреть с его помощью.

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.