Большая история маленькой частицы. Всё приходит к тому, кто умеет ждать
В начале XX века бета-распад (это когда нейтрон превращается в протон, излучая при этом определенный набор частиц) поставил физиков в тупик: получалось, что часть энергии терялась где-то в процессе, то есть нарушался закон сохранения энергии. Ни Эйнштейн, ни Бор, ни один из других великих умов не могли понять, что делать с этим варварством.
В 1930 году физик Вольфганг Паули пишет письмо Тюбингемскому научному конгрессу, в котором говорит, что, вероятно, теряющуюся энергию уносит нейтральная частица, которую очень сложно засечь, она практически ни с чем не взаимодействует. Сам он, правда, на конгресс не пошёл, у него намечался бал, а общество милых дам Вольфганга интересовало больше, чем сердитых физиков.
В 1933 году на Сольвеевском научном конгрессе, который, очевидно, не совпадал ни с каким балом, Паули представил свою идею научному сообществу. Выступая с докладом, он все время называл частицу “маленьким нейтроном”. В какой-то момент итальянский физик Энрико Ферми не выдержал и перебил его:
Да называйте его уже нейтрино!
В итальянском языке окончание –ино соответствует русским уменьшительно-ласкательным суффиксам (-чик-, -ушк-), то есть Ферми назвал новую частицу “нейтрончиком”. Доказательств этому случаю не существует, однако по странному совпадению после конференции название “нейтрино” стали использовать все физики.
Думаете, на этом самое интересное закончилось? Если бы! Я уже упоминал, что нейтрино практически не взаимодействуют с другими частицами, то есть их почти что невозможно зарегистрировать. Например, сейчас через ваше тело ежесекундно пролетают примерно сто триллионов (анти)нейтрино, а вы этого даже не замечаете. Стало быть, детектирование нейтрино – сложнейшая задача. Сам Паули поспорил с коллегой на бутылку шампанского, что при их жизни экспериментаторы нейтрино не поймают.
Тизер: нейтрино все-таки зарегистрировали, более того, распита была не просто бутылка, а целый ящик шампанского.
И в этой истории невоспетым героем стал Реймонд Дейвис, американский химик и физик. Когда он перешел на работу в Брукхэйвенскую национальную лабораторию в 1948 году, его руководитель буквально отмахнулся от него, сказав, “занимайся тем, что покажется интересным”. Дейвис решил изучать нейтрино, точнее, попытаться зарегистрировать неуловимую частицу. Сделать это можно было лишь одним способом: взять очень большую емкость с особой жидкостью и ждать, пока нейтрино все-таки провзаимодействует со случайной частицей где-то внутри этой емкости.
Дейвис поставил бочку с 4 кубическими метрами жидкости и чертовой дюжиной датчиков около ядерного реактора, где постоянно происходит бета-распад (напомню, в его ходе и образуется нейтрино), но ничего не обнаружил. Поэтому он взял бочку еще больше, но опять ничего не обнаружил. Ирония заключалась в том, что в реакторах возникают антинейтрино, а установка была настроена на обычные нейтрино – в 1956 году это обнаружили другие исследователи, которые настроили свою установку на антинейтрино, зарегистрировали их и отправили поздравительную телеграмму Паули (о ней мы вспомним чуть позже).
Для Дейвиса же борьба только начиналась. Он понял, что единственным достаточно мощным источником нейтрино является Солнце – и стал строить установки для того, чтобы зарегистрировать солнечные нейтрино. Ни одна из них не давала положительных результатов. К тому моменту он строил установки разного калибра уже 10 лет, потратив на них море денег и не получив никаких результатов.
Многие бы сдались и стали заниматься чем-то другим, но не Дейвис. Это было время невероятного подъема науки – полеты в космос, ядерная физика, первые компьютеры – и в конце 1960-х Дейвису удается реализовать невероятный проект: разместить емкость объемом под 400 кубических метров в заброшенной шахте. Для владельцев объекта это была имиджевая вещь: хотя суть исследований понимали немногие, аура таинственности вокруг неуловимых частиц из космоса хорошо влияла на восприятие компании в прессе. Для Дейвиса же это был проект всей жизни.
В 1970 году он регистрирует первое солнечное нейтрино в истории. Вплоть до 1994 года его установка собирает данные, которые говорят о том, что нейтрино фиксируется ровно в 3 раза меньше, чем должно быть. Это вызывало страшные споры и не решилось вплоть до открытия нейтринных осцилляций (явления преобразования разных типов нейтрино друг в друга, да, их целых три типа). Тем не менее, Дейвис получил свою заслуженную Нобелевскую премию в 2002 году в возрасте 88 лет.
История открытия нейтрино – это в первую очередь история о терпении. В моменты, когда никто, даже человек, описавший эту частицу, не верил в возможность ее регистрации, ученые по всему миру продолжали исследования, строили установки, ошибались, строили новые установки, снова ошибались, но ни в коем случае не сдавались.
И поэтому ответная телеграмма Паули, которую, правда, он так и не отправил (видимо, шампанского оказалось слишком много), стала настоящим гимном исследований нейтрино:
Спасибо за сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать. Паули.