Нейтринные телескопы

О нейтрино впервые заговорили около сорока лет назад, после того как в 1931 году швейцарский физик Паули теоретически предсказал существование этой удивительной частицы. Поначалу нейтрино выполняло служебную роль: его ввели, чтобы устранить кажущееся нарушение закона сохранения энергии при так называемом бета-распаде.

Как известно, распадаясь, радиоактивное вещество порождает три типа лучей, обозначаемых греческими буквами альфа (α), бета (β) и гамма (γ). Состав этих лучей давно известен: альфа-лучи представляют собой ядра атомов гелия, бета-лучи — электроны, гамма-лучи — электромагнитное излучение малой длины волны, о котором в этой книге уже говорилось.

Все эти продукты радиоактивного распада уносят с собой энергию. Но вот при бета-распаде получается, что энергия вылетающих электронов не всегда одна и та же, а меняется от опыта к опыту, причем нередко в широком диапазоне. Чтобы объяснить эти странные факты, Паули высказал гипотезу, что каждый раз вместе с электроном из радиоактивного ядра вылетает некая частица, которая и уносит с собой недостающую энергию.

Закон сохранения энергии вновь торжествовал, но объяснение Паули многим казалось чересчур искусственным. Да и гипотетическая частица должна была обладать необычными свойствами — при отсутствии всякого электрического заряда иметь исчезающе малую массу. Как бы там ни было, эта частица все же прочно вошла в арсенал теоретической физики под названием «нейтрино». Только в 1957 году, после пятилетней подготовительной работы, физикам удалось наконец «увидеть» нейтрино. Говоря более строго, была зарегистрирована вспышка, порожденная потоками нейтрино в водородосодержащем веществе. Источником же нейтрино в этих опытах был один из самых мощных современных ядерных реакторов.

Ныне установлено совершенно твердо, что нейтрино образуется при всех ядерных процессах. Возникает оно и в недрах Солнца как побочный продукт тех ядерных реакций, которые обеспечивают его свечение. И роль этих солнечных нейтрино не малая. Нейтринное излучение Солнца по своей энергии составляет 10% его видимого излучения.

Пробивная способность нейтрино совершенно фантастична. Зародившись в недрах Солнца, нейтрино совершенно беспрепятственно выходит наружу, в космическое пространство, и делает оно это так, как если бы вовсе не существовал исполинский газовый солнечный шар. Более того, если бы Солнце со всех сторон было окружено железным слоем толщиной в миллионы световых лет, то и такое препятствие нейтрино преодолело бы без всяких затруднений!

До сих пор астрономы изучали космос, используя главным образом электромагнитное излучение небесных тел. Лучи, как видимые, так и невидимые, служили (да и теперь служат) почти единственными «связными» между небом и Землей. Существование нейтрино подсказало заманчивую идею: уловить солнечные нейтрино и «выжать» из них информацию о глубинных недрах Солнца.

По существующим ныне теоретическим представлениям солнечные нейтрино зарождаются в центральных областях Солнца, близко от его центра, в ходе происходящих там ядерных реакций. Поэтому если бы мы могли видеть потоки солнечных нейтрино, наше дневное светило показалось бы нам крошечной, ослепительно яркой точкой, в сто раз по поперечнику меньше «оптического» Солнца. Нельзя ли с помощью каких-нибудь приборов увидеть, изучить это нейтринное Солнце? Ну, а в случае успеха можно потом попробовать уловить нейтринное излучение других звезд.

Идея смелая, но практически ее осуществить очень трудно. Мешает неуловимость нейтрино: оно никак не реагирует на магнитные или электрические поля. А очень малая масса помогает нейтрино беспрепятственно пробиваться сквозь вещество.

Нельзя, правда, сказать, что нейтрино никогда и ни при каких обстоятельствах не взаимодействует с веществом. Если бы дело обстояло так, то нейтрино мы бы просто никогда не обнаружили. На самом деле возможны процессы, при которых (по крайней мере в принципе) нейтрино даст знать о себе. Таков, например, процесс, обратный бета-распаду. В этом случае протон должен превратиться в нейтрон и позитрон, причем неизбежно возникает вспышка света, которую можно обнаружить чувствительными фотоэлементами. Правда, вероятность такого процесса очень мала, но все же не равна нулю. Если вещество содержит водород (а значит, протоны) и это вещество облучается потоком нейтрино, то рано или поздно фотоэлементы зарегистрируют слабые вспышки — реальные проявления реально существующих нейтрино.

Мыслимы две возможности: или пропустить одно нейтрино через астрономическую толщу вещества, или, наоборот, использовать поток с астрономическим числом нейтрино для облучения приемлемой на практике толщи вещества. Первый вариант практически нереален. Во втором случае при достаточно мощном потоке нейтрино есть шансы на успех — именно так и сделали физики, когда в 1957 году им удалось впервые убедиться в существовании нейтрино.

10% энергии видимого излучения Солнца — величина немалая. Это значит, что ежесекундно через квадратный сантиметр земной поверхности проходит 100 миллиардов нейтрино. Это значит, кстати, что в течение жизни человека через его тело пройдет число нейтрино, еще в биллион раз большее. И, вероятно, только один раз одно какое-то нейтрино поглотится в человеческом теле. Заметим, что в полночь мы облучаемся потоком нейтрино никак не меньшим, чем в полдень, — ведь нейтрино запросто проходит через всю толщу земного шара! Любопытно все-таки, что нейтринное Солнце «освещает» нас круглосуточно. Но как поймать это излучение?

Среди высказанных предложений есть одно, пожалуй, наиболее практичное. Нейтрино реагирует с ядром хлора. В итоге этой реакции образуется ядро радиоактивного изотопа аргона, которое испускает электрон. Среди дешевых и широко распространенных веществ есть четыреххлористый углерод или перхлор-этилен (C₂Cl₄) — вполне подходящая мишень для нейтрино. Заготовить его предварительно можно хоть тоннами. А потом посмотреть, как повлияют на него солнечные нейтрино — в нем должен образоваться аргон, который затем следует испытать на радиоактивность.

Еще одна примечательная деталь. Обсерваторию для приема солнечных нейтрино лучше всего поместить под землей, на глубине нескольких километров, где не будет сказываться нежелательное вмешательство других частиц. В 1955 г. американский исследователь Р. Девис в Южной Дакоте (США) на глубине 1490 м смонтировал первый нейтринный «телескоп». Приемником нейтринного излучения служил горизонтальный цилиндрический бак длиной около 14 м, содержащий примерно 400 000 литров перхлорэтилена. Позже нейтринные телескопы были созданы в других районах США, а также в Индии и ЮАР (в последнем случае на трехкилометровой глубине!) Предполагается построить крупный нейтринный телескоп и в Советском Союзе.

К сожалению, результаты работ этих «телескопов» пока не удалось согласовать с теорией. Чем это вызвано, еще неясно. Может быть, Солнце в центре холоднее, чем мы думаем, а может быть источником его энергии служат такие неизвестные нам пока процессы, при которых нейтрино вовсе не возникает, или образуется в неощутимо малых количествах. Будущее покажет, в чем причина теперешних неудачных поисков. И все-таки эти первые шаги в создании нейтринной астрофизики обнадеживают.

Очень трудно построить хороший нейтринный телескоп. И не потому лишь, что не видно, из чего сделать нейтринные линзы и как уменьшить их до практически реальных размеров. Нейтринные пучки только при очень больших энергиях, так сказать, чувствительны к направлению, только в этом случае «выбитые» нейтрино частицы вещества сохраняют первоначальное направление полета, а значит, можно узнать, откуда прилетело нейтрино. Есть, конечно, и другие трудности, заставляющие некоторых ученых сегодня скептически относиться к нейтринным телескопам. Но будущее может таить в себе такие возможности, о которых мы сегодня и не подозреваем.

И если когда-нибудь все-таки будут построены сверхчувствительные нейтринные телескопы, с их помощью в звездном мире откроют много необычного. Среди прочего станет возможным прогноз вспышек сверхновых звезд. Оказывается, задолго до того как вспыхнуть в видимом свете, кандидаты в сверхновые звезды начинают интенсивно излучать все более и более мощные потоки нейтрино. А разве не будоражит нашу фантазию такая возможность, как познание антимиров из антивещества, что с помощью нейтрино могло бы быть сильно облегчено? Право же, обидно сознавать, что вокруг нас (и даже в нас самих!) движутся мириады частиц, в которых заложена ценнейшая информация о космосе, а мы эту информацию пока не умеем извлекать и использовать!

Веками астрономы стремились подняться над Землей, в верхние, прозрачные и спокойные слои атмосферы. Они строили обсерватории на высоких плоскогорьях, поднимались на вершины гор, а в последние годы им удалось даже вывести обсерватории на космические орбиты. И теперь, когда, казалось, цель достигнута, астрономы подумывают о том, чтобы зарыться поглубже в Землю и оттуда, сквозь всю толщу земного шара, изучать космос!

Парадоксально? Конечно. Но в этой внешней противоречивости действий отражается внутренняя противоречивость науки, в конечном счете и обеспечивающая ее прогресс. А средства изучения космоса и должны быть многообразны, как многообразна сама Вселенная — видимая и невидимая.