Охотники за нейтрино

Но исследователи вскоре пришли к выводу, что выстроенный ими агрегат вполне можно использовать для регистрации солнечных нейтрино. Заручившись помощью американских коллег, они модифицировали и усовершенствовали свой эксперимент, чтобы детектор реагировал и на солнечные нейтрино. Эксперимент Kamiokande по обнаружению таких нейтрино функционально значительно отличался от исследования, проводившегося в шахте Хоумстейк. Во-первых, для регистрации частиц использовалась вода, а не безводная моющая жидкость. Время от времени солнечный нейтрино сталкивается с электроном в молекуле воды и выбивает его с орбиты, как один бильярдный шар – другой. Этот быстрый электрон оставляет своеобразный след, напоминающий по форме конус света. Такое бледно-голубое свечение получило название «излучение Черенкова»[26], в честь советского физика Павла Алексеевича Черенкова, исследовавшего этот феномен. ФЭУ, усеивающие стенки резервуара с внутренней стороны, способны зарегистрировать любую световую вспышку, а значит – взаимодействие электрона и нейтрино. Эксперимент Kamiokande помогал ответить и еще на два вопроса. По направлению светового конуса исследователи могли судить, откуда пришел нейтрино, а по интенсивности – определять энергию этого нейтрино. Важнейший из недостатков установки Kamiokande был таким же, как и в эксперименте Хоумстейк: установка позволяла зарегистрировать лишь сравнительно высокоэнергетические нейтрино. Другой недостаток заключался в том, что ФЭУ улавливали не только столкновения нейтрино и электронов, но и иные сигналы – например, вызываемые космическими лучами. Но исследователи нашли способ отличать события с участием нейтрино от прочих сигналов (помех) по очертаниям светового конуса.

Отчет о первых итогах охоты на нейтрино в рамках эксперимента Kamiokande вышел летом 1989 г. Независимые результаты, полученные японскими учеными, воодушевили Рэя Дэвиса: эксперимент Kamiokande не только подтвердил, что часть нейтрино попадает на Землю с Солнца, но и выявил дефицит количества частиц в полном соответствии с прогнозами Бакала – точно такой, какой наблюдался и в эксперименте Хоумстейк. Более того, в течение нескольких следующих лет исследователи из Камиоки также подтвердили, что и энергетический спектр улавливаемых нейтрино согласуется с расчетами Бакала. Оставалось признать, что Дэвис и Бакал с самого начала были правы и явный дефицит наблюдаемых солнечных нейтрино – реальность. Что же это означало? Бакал, испытавший огромное облегчение, узнав о результатах эксперимента Kamiokande, так ответил на этот вопрос: «Я почувствовал: ага, вот мы и исключили вероятность того, что экспериментальные результаты в чем-то ошибочны. Я полностью уверился, что моя теория верна. Показалось, что наконец-то у нас началась светлая полоса». Выяснилось, что дефицит нейтрино открывает путь к новой физике – впрочем, отнюдь не новой, по крайней мере для Бруно Понтекорво, указавшего этот путь еще несколькими десятилетиями ранее.

Глава 5 Космические хамелеоны

Более полувека назад Бруно Понтекорво сделал два важнейших предположения, которые стали ключевыми для разгадки тайны солнечных нейтрино. Во-первых, он понял, что в природе существует не один, а несколько типов нейтрино. Он пришел к такому выводу, наблюдая за распадом мюона – нестабильной элементарной частицы, относящейся к семейству лептонов (к этому же семейству принадлежат электрон и нейтрино). Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии и, по сути, являются первокирпичиками материи. Кроме того, мюон имеет отрицательный заряд и существует всего лишь около двух миллионных долей секунды, после чего распадается. Понтекорво предположил, что с мюоном и электроном связаны разные типы нейтрино.

Трое физиков из Колумбийского университета – Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер – подтвердили существование двух типов нейтрино, поставив соответствующие эксперименты на ускорителе частиц в 1962 г., и тем самым доказали верность догадок Понтекорво. Вскоре Мартин Перл и его коллеги из Стэнфордского университета идентифицировали третью, еще более массивную частицу, относящуюся к семейству лептонов, и назвали ее тау-частицей. Исследователи предположили, что должен существовать и третий тип нейтрино, связанный с тау-частицами. Типы нейтрино стали именоваться образным термином «ароматы».