Подпоручик Киже – персонаж из исторической повести писателя Ю.Н. Тынянова. Этого подпоручика никто никогда не видал, но его считали виновником всех шалостей и проказ, происходивших в придворных кругах Петербурга в конце ХVIII века.

Эта мифическая фигура приходит на ум, когда речь заходит о нейтрино – элементарной частице, которую никак не удавалось обнаружить в опытах, но на которую списывались все неувязки, имевшие место в процессах ядерной физики.

Началось всё с того, что ещё в начале прошлого века обнаружилась «пропажа» части энергии в процессах бета-распада, когда из атомного ядра радиоактивных веществ вылетает быстрый электрон. Энергия этих электронов оказывалась меньше той, которая должна была бы быть.

Ещё одна проблема, заключающаяся в, якобы, нарушении закона сохранения импульса, возникала в связи с распадом нейтрона. Сам нейтрон, как составная часть атомных ядер, устойчив. Но свободный нейтрон самопроизвольно распадается в среднем за 10–15 минут на протон и электрон. По закону сохранения импульса они должны разлетаться в строго противоположных направлениях. В действительности же, они разлетаются под некоторым углом, отличным от 180⁰ (рис. 1). Что же уносит недостающий импульс?

Чтобы выйти из создавшегося положения, швейцарский физик В. Паули в 1931 г. предпринял, как он сам выразился, «отчаянную попытку» спасти дело, предположив, что в подобных процессах принимает участие некоторая еще неизвестная частица.

Эта частица должна быть электрически нейтральной, т.к. баланс зарядов в указанных реакциях не нарушается, и обладать чрезвычайно малой массой, намного меньшей массы самой малой из известных тогда элементарных частиц – электрона. Она должна была также очень слабо взаимодействовать с веществом, поскольку никаких следов за собой не оставляла. А ведь именно по такого рода следам удаётся обнаруживать другие элементарные частицы. Эту гипотетическую частицу итальянский физик Энрико Ферми предложил назвать нейтрино (в отличие от известного тогда реально существующего нейтрона) то есть, так сказать, маленьким нейтроном, «нейтрончиком». Такое название за этой частицей и закрепилось.

Итак, перед физиками встала проблема: или отказаться от основных законов физики (применительно, по крайней мере, к внутриядерным процессам), или допустить реальное существование гипотетической неуловимой частицы с весьма странными свойствами.

Такая неопределённость существовала около десяти лет, пока в 1942 г. на основании некоторых косвенных экспериментов реальность существования нейтрино не была, наконец, доказана. Однако прямых наблюдений процессов с участием нейтрино всё ж таки не было.

Идея подобного прямого эксперимента была предложна в 1946 г. итальянским физиком Бруно Понтекорво. Он предложил использовать ядерную реакцию

Cl³⁷ + n –> Ar³⁷ + e^–

Здесь нейтрино n поглощается ядром изотопа хлора с атомным весом 37, которое превращается в ядро радиоактивного аргона с таким же атомным весом. Этот изотоп аргона распадается с периодом полураспада в 34 дня, выбрасывая быстрый электрон. По появлению таких электронов и можно было бы судить, что реакция состоялась.

Однако с самого начала было очевидно, что вероятность захвата нейтрино атомом хлора чрезвычайно мала. Для реализации подобного эксперимента понадобилось бы или огромное количество вещества, содержащего хлор, или огромные потоки нейтрино.

Последнее стало возможным после создания мощных ядерных реакторов. Происходящий там распад одного ядра урана должно сопровождаться вылетом в среднем 5–6 нейтрино, так что величина потоков нейтрино вблизи реактора могла доходить до 10¹³ нейтрино в секунду на 1 см².

В качестве рабочего вещества, содержащего хлор, в этих экспериментах использовался четырёххлористый углерод C₂Cl₄ – сравнительно дешёвая летучая жидкость, используемая, например, в быту для химической чистки одежды.

Такие эксперименты, проведенные в 50-х годах, подтвердили в полной мере реальность существования нейтрино и даже его «собрата» – антинейтрино.

Успехи подобных экспериментов поставили в повестку дня грандиозный вопрос о регистрации солнечных нейтрино, образующихся в глубинах Солнца при протекающих там ядерных реакциях.

Теория о происхождении солнечной энергии была к этому времени уже хорошо разработана. Она сводилась к тому, что в глубинах Солнца, где температура достигает 12–15 млн. градусов, происходят термоядерные реакции, при которых 4 ядра водорода (протона) объединяются с образованием одного ядра гелия Не⁴. При этом выделяется огромное количество энергии (18,6 МэВ), которая и поддерживает указанную высокую температуру, и, в конечном счёте, излучается Солнцем в окружающее пространство, обогревая и нас с вами.

Было предложено несколько вариантов этих процессов. Но все они должны сопровождаться образованием нейтрино, правда, в разных количествах и с разными энергиями. Эти нейтрино практически не поглощаются веществом Солнца и выходят все наружу, унося с собой 5–7 % общей энергии, излучаемой Солнцем.

По существующим оценкам, каждую секунду на Солнце рождается порядка 10³⁸ нейтрино. За несколько минут они долетают до Земли, создавая поток в 6×10¹⁰ штук нейтрино на квадратный сантиметр за секунду.

Замечательным является то, что эти нейтрино приходят к нам непосредственно из недр Солнца, где кипят термоядерные реакции. Обнаружение этих нейтрино и изучение их свойств позволило бы судить о правильности наших представлений о процессах, происходящих в глубинах Солнца, подтвердить или опровергнуть существующие модели этих процессов.

Сложность экспериментов по улавливанию солнечных нейтрино состоит в том, что вероятность их улавливания любым веществом чрезвычайно мала. Ведь именно благодаря своей проницающей способности им удаётся без препятствий выбраться из солнечных глубин.

В описанных выше экспериментах с ядерным реактором это компенсировалось величиной потоков нейтрино. Но поток солнечных нейтрино на Земле намного слабее. Потому для осуществления такого эксперимента потребовалось бы огромное количество того самого рабочего вещества – четырёххлористого углерода. Потому в эксперименте было задействовано более 600 тонн C₂Cl₄ (как несколько железнодорожных цистерн, см. рис. 2).

Другая сложность состояла в том, что эффект появления быстрого электрона (по которому и регистрировалась хлор-аргоновая реакция нейтрино) мог маскироваться подобным же эффектом, создаваемым космическими лучами. Поэтому всю экспериментальную установку пришлось упрятать глубоко под землю, настолько глубоко, чтобы туда не проникали космические лучи. Для этого вся установка была размещена в заброшенной шахте на глубине более 1400 метров.

Сам эксперимент был проведён в 1967–68 гг. в США и дал несколько обескураживающие результаты. Поток солнечных нейтрино был действительно зафиксирован, но его величина была в несколько раз меньше той, которая следовала из существующих теорий. Это вызвало заметное волнений в учёных кругах, т.к. ставило под вопрос правильность этих теорий и наших представлений о процессах, происходящих в глубинах Солнца.

Сомнения продолжались несколько десятилетий, пока, наконец, в последние годы не была обнаружена причина наблюдаемых расхождений. Дело в том, что, оказывается, нейтрино могут быть в нескольких состояниях, переходя в полёте от Солнца к нам из одного в другое. И только одно из этих состояний способно к указанной выше хлор-аргоновой реакции.

Конечно, подобно Солнцу и все другие звёзды также испускают потоки термоядерных нейтрино. Но из-за больших расстояний эти потоки так слабы, что обнаружить их имеющимися сейчас средствами невозможно. Однако в жизни некоторых наиболее массивных звёзд наступает момент, когда они, грубо говоря, взрываются.

Это довольно редкое и драматическое явление, при котором яркость свечения звезды увеличивается на много порядков, называется явлением Сверхновой. Такие Сверхновые возникают на нашем небосводе нечасто – раз в несколько столетий и светят на протяжении нескольких месяцев, а потом гаснут.

Подобный взрыв сопровождается выбросом очень сильных потоков нейтрино, настолько больших, что согласно расчётам, они вполне могут быть наблюдаемыми имеющимися сейчас средствами. Следует лишь дождаться появления очередной Сверхновой.

Таким образом, наша Вселенная непрерывно наполняется потоками нейтрино, испускаемыми звёздами. Они ничем не поглощаются, и их концентрация непрерывно возрастает.

Однако есть основания полагать, что кроме этих непрерывно продуцируемых нейтрино просторы Вселенной заполнены ещё так называемыми реликтовыми нейтрино, родившимися в первый период жизни Вселенной, вскоре после «Великого взрыва», приведшего к её образованию. Концентрация этих нейтрино оценивается порядка 200 штук на один кубический сантиметр. Но их энергия так мала, что обнаружить их присутствие имеющимися сейчас средствами невозможно.

Вопрос о существовании фона реликтовых нейтрино имеет очень важное принципиальное значение. Если эти нейтрино имеют, пусть даже очень небольшую, но конечную массу, то их общая масса может оказаться соизмеримой и даже большей, чем масса всех известных на сегодняшний день объектов – звёзд, туманностей и межзвёздного газа вместе взятых.

Может быть, масса этих нейтрино и есть та скрытая «тёмная материя», недоступная для наблюдений, но влияющая своей гравитацией на движение Галактик.

Если это так, то согласно общей теории относительности, наблюдаемое сейчас расширение Вселенной должно рано или поздно смениться её сжатием, которое потом сменится новым расширением. Всё зависит от величины средней плотности вещества во Вселенной. Известная в настоящее время средняя плотность порядка 10^-29 г∙см^-3 находиться где-то на границе между моделями непрерывно расширяющейся и пульсирующей Вселенной.

И возможно, что именно космические нейтрино бросят ту дополнительную гирю, которая «перетянет весы» и внесёт определённость в наши представления об эволюции Вселенной.

С.М. Левитский, доктор физико-математических наук, профессор Киевского национального университета имени Тараса Шевченко