С.М. Биленький.

Б.М. Понтекорво и нейтрино

Б. Понтекорво внес значительный вклад в решение проблемы регистрации распада (K-захвата) 37A r . Для этого им была развита техника низкофоновых пропорциональных счетчиков с большим коэффициентом усиления.

Антинейтрино от реактора были зарегистрированы в середине 50-х годов Ф. Райнесом и К. Коуэном. Это была первая реализация идей Б. Понтекорво о возможности регистрации нейтрино. В 1995 году за открытие нейтрино Ф. Райнесу была присуждена Нобелевская премия.

Радиохимический метод Б. Понтекорво является в настоящее время одним из основных методов регистрации нейтрино от Солнца. Радиохимический хлор-аргонный метод был использован Р. Дэвисом и другими для регистрации солнечных нейтрино. Хотя солнечные нейтрино и были обнаружены в этом эксперименте, их поток оказался существенно меньше, чем ожидаемый.

Опыт Дэвиса позволяет регистрировать нейтрино относительно высоких энергий (порог реакции nе + 37C l — > e - + 37A r составляет 0,81 МэВ). В последние годы были поставлены два других эксперимента по регистрации нейтрино от Солнца (G A L L E X и S A G E ), в которых также используется радиохимический метод Б. Понтекорво. В этих экспериментах нейтрино регистрируется путем наблюдения реакции nе + 71G a — > e - + 71G e , порог которой составляет всего 0,23 МэВ. Измеренный в G A L L E X и S A G E поток солнечных нейтрино также оказался существенно ниже ожидаемого. Б. Понтекорво внес в решение этой проблемы определяющий вклад. Я вернусь к ее обсуждению позже. Итак, предложение Б. Понтекорво, сделанное в Канаде в далеком 1946 году, через много лет привело к созданию новой важной области исследований – нейтринной астрономии.

C 1948 по 1950 год Б. Понкорво работал в Харуэлле, а в конце 1950 года он принял решение переехать в СССР (много дискуссий в прессе вызвал этот смелый, необычный переезд семьи Б. Понтекорво в Россию. Я не могу комментировать эти дискуссии. Я думая, что Б. Понтекорво поступил в соответствии со своими внутренними убеждениями, основываясь на той информации, которую он имел). С этого времени и до конца своей жизни Б. Понтекорво работал в Дубне в Институте ядерных проблем, который в 1956 году стал частью Объединенного института ядерных исследований.

В начале 50-х годов в Дубне работал самый большой в мире синхроциклотрон, позволяющий ускорять протоны до энергии 460 МэВ. Б. Понтекорво активно включился в работу на этом ускорителе. Он возглавил группу молодых физиков-экспериментаторов, только что окончивших различные университеты страны и не имевших опыта работы на ускорителе. Б. Понтекорво принес в лабораторию высокую культуру выдающегося физика-экспериментатора школы Ферми, атмосферу высокой требовательности к объективности научных результатов и доброжелательный взыскательности при их обсуждении. Его роль в становлении физики высоких энергий в Дубне и во многих институтах Советского Союза трудно переоценить.

Группа Б. Понтекорво провела серию экспериментов по изучению процессов рождения нейтральных пионов в столкновении нейтронов с протонами и ядрами. Полученные данные позволили подтвердить гипотезу изотопической инвариантности сильного взаимодействия. В 1954-1957 годах группа Б. Понтекорво провела ряд экспериментов по детальному изучению процесса рассеяния пионов протонами и выполнила один из первых фазовых анализов этого процесса.

В эти годы Б. Понтекорво много думал о странных частицах. В 1953 году независимо от А. Пайса он пришел к идее совместного рождения каонов и гиперонов в нуклон-нуклонных и пион-нуклонных процессах. Для проверки этой кипотезы группа Б. Понтекорво провела эксперимент по поиску процесса рождения одиночных L-гиперонов в столкновении протонов с ядрами. Анализ отрицательных результатов этого эксперимента привел Б. Понтекорво к заключению, что изотопический спин каона равен 1/2, т.е. что должны существовать два нейтральных каона. Анализируя впоследствии данные по изучению осцилляций нейтральных каонов, Б. Понтекорво показал, что странность в слабом взаимодействии не может меняться больше чем на единицу.

В конце 50-х годов Б. Понтекорво пришел к очень важному выводу о том, что возможная постановка экспериментов по регистрации нейтрино от распадов пионов и каонов, образованных на ускорителях. Он выступил с этим предложением на Рочестерской конференции в Киеве в 1959 году. В это время уже существовала V - A -теория слабого взаимодействия, которая объясняла все имевшиеся данные. Открытым оставался фундаментальный вопрос, связанный с нейтрино: являются ли электронное и мюонное нейтрино (нейтрино, которые участвуют в слабом взаимодействии соответственно вместе с электроном и мюоном) разными или одинаковыми частицами? Хотя имелись косвенные указания в пользу того, что эти нейтрино являются разными частицами, однако прямые доказательства этого отсутствовали. В 1959 году Б. Понтекорво предложил опыт, который позволил доказать, что мюонные и электронные нейтрино - разные частицы. Он исходил из того, что пионы распадаются преимущественно на мюоны и мюонные нейтрино. Если пучок нейтрино высоких энергий, полученный от распадов пионов, взаимодействует с веществом, то, в случае, если электронное и мюонное нейтрино разные частицы, в результате этого взаимодействия будут образовываться мюоны. Если мюонное и электронное нейтрино одинаковые частицы, в опыте такого типа будет образовываться одинаковое количество мюонов и электронов. Предложение Б. Понтекорво было реализовано в Брукхейвене в 1962 году. Было доказано, что электронное и мюонное нейтрино - разные частицы. По существу, было открыто нейтрино второго поколения. За это открытие Л. Ледерману, Д. Штейнбергеру и М. Шварцу была присуждена Нобелевская премия.

Предложенный Б. Понтекорво брукхейвенский эксперимент положил начало физике нейтрино высоких энергий от ускорителей. В опытах на пучках нейтрино от ускорителей был открыт в 1973 году новый класс слабых взаимодействий (нейтральные токи), детально исследована кварковая структура нуклона, исследован процесс рассеяния нейтрино на электронах и др.

Я перехожу теперь к еще одному фундаментальному вкладу Б. Понтекорво в физику нейтрино - к вкладу в проблему масс и смешивания нейтрино, которой он посвятил многие годы.

В течение долгого времени руководящей идеей Б. Понтекорво была идея симметрии (аналогии) между взаимодействием адроном (кварков) и лептонов (сейчас, после появления стандартной модели электрослабого взаимодействия, мы знаем, что такая симметрия действительно имеет место). Основываясь на идее лептон-адронной симметрии, Б. Понтекорво верил в то, чтов мире лептонов должно иметь место явление, аналогичное явлению осцилляции нейтральных каонов.

В 50-х годах Р. Дэвис проводил опыт с антинейтрино от реактора, который позволил бы ответить на вопрос о том, рождаются ли электроны при взаимодействии антинейтрино с ядрами 37C l . Кто-то привез слух о том, что Р. Дэвис наблюдает такие события (разумеется, впоследствии этот слух не подтвердился, что довольно части случается в физике). Б. Понтекорво начал думать о возможном объяснении «событий» Дэвиса. Его идея состояла в том, что аналогично тому, как в пучке каонов имеют место превращения каонов в антикаоны, антинейтрино на пути от реактора до детектора могут частично превратиться в нейтрино, которые при взаимодействии с ядрами образуют электроны.

Слух о наблюдении Дэвисом электронов для Б. Понтекорво был только толчком к рассмотрению осцилляций нейтрино. Для него осцилляции нейтрино были реализацией идеи об аналогии между лептонами и адронами. Он предположил, что нейтрино имеют отличные от нуля массы (как и все остальные частицы со спином 1/2) и что состояние нейтрино, которое образуется в бета-распаде и других слабых процессах, представляет собой суперпозицию состояний нейтрино с определенными массами. В этом случае в пучке нейтрино будут иметь место осцилляции (зависящие от времени переходы из одного состояния в другое), которые можно наблюдать в эксперименте. Если имеют место осцилляции, на опыте будет наблюдаться «исчезновение» нейтрино исходного типа (вследствие появления нейтрино другого типа).

В 50-х годах был известен только один тип нейтрино. После открытия второго нейтрино Б. Понтекорво обобщил идею осцилляций на оба типа нейтрино. В этом случае, например, в пучках мюонных нейтрино должны иметь место переходы мюонных нейтрино в электронные. С точки зрения теории осцилляций в брукхейвенском эксперименте должны были наблюдаться не только мюоны, но также и электроны. Точность этого эксперимента не позволила, однако, судить о наличии осцилляций. Нужны были специальные эксперименты по поиску этого явления. Такие опыты были предложены Б. Понтекорво. Он показал, что чем меньше энергия нейтрино и чем больше расстояние между источником и детектором нейтрино, тем чувствительнее эксперимент к малой разности квадратов масс нейтрино Dm 2. С этой точки зрения особый интерес представляют опыты по регистрции солнечных нйтрино: эти опыты позволяют обнаружить осцилляции нейтрино, если Dm 2 l 10-10 Эв2.

Еще до опыта Р. Дэвиса, в котором регистрируются солнечные нейтрино, Б. Понтекорво обратил внимание на то, что поток электронных нйетрино от Солнца в случае двух типов нейтрино в силу осцилляций может составлять только половину от начального потока электронных солнечных нейтрино. Он предсказал парадокс солнечных нейтрино, который был обнаружен в эксперименте Р. Дэвиса и других экспериментах.

В течение многих лет существовало убеждение (непонятно, на чем основанное), что нейтрино безмассовые частицы и, следовательно, осцилляций нейтрино не может быть. Интерес к гипотезе Б. Понтекорво о нейтрино с массами и их осцилляциях начал расти после создания стандартной модели электрослабого взаимодействия и достиг максимума после появления многочисленных моделей, выходящих за рамки стандартной модели. В настоящее время практически все физики верят в то, что нейтрино обладают массой и что имеют место осцилляции. Поиск осцилляций нейтрино, о которых Б. Понтекорво начал думать еще в конце 50-х годов, является основным направлением современной нейтринной физики. Поиск осцилляций и эффектов масс считается одним из основных путей поиска эффектов новой физики.

В заключение мне хотелось бы поделиться воспоминаниями о нашей совместной работе и о Бруно Максимовиче. Я начал работать с Б. Понтекорво в 1970 году. В то время появился препринт Ф. Райнеса и др., в котором излагались результаты очень трудного опыта по измерению сечения рассеяния электронных антинейтрино на электронах. Измеренное сечение оказалось намного больше, чем сечение, предсказываемое теорией слабого взаимодействия. Впоследствии авторы нашли большой фон от g-кварков, и полученное после устранения фона сечение было в хорошем согласии с теорией. На это ушли, конечно, месяцы.

После появления препринта Райнеса и др. Бруно Максимович предложил мне подумать о том, как можно было бы объяснить «эффект». Мы рассмотрели разные экзотические варианты, и среди прочих была упомянута возможность «сильного» взаимодействия между нейтрино. Бруно Максимович сразу отреагировал на это замечание. Что мы знаем о взаимодействии между нейтрино? Почему это взаимодействие должно быть слабым? Мы обсуждали гипотезу «сильного» взаимодействия между нейтрино в его кабинете в Лаборатории ядерных проблем поздно вечером. На следующий день утром (довольно рано) Бруно Максимович позвонил и сказал, что ему эта идея нравится. Он предложил рассмотреть целый ряд процессов, изучение которых на опыте позволило бы получать информацию о взаимодействии между нейтрино. Вместе с Д. Бардиным, в то время моим аспирантом, мы опубликовали нашу первую совместную работу о взаимодействии между нейтрино, которая стимулировала постановку специального эксперимента. Я думаю, что эта работа иллюстрирует очень характерный для Б. Понтекорво подход к науке: он любил необычные, нестандартные идеи и всегда видел оптимальные возможности проверки этих идей на опыте.

Мы начали наше многолетнее сотрудничество по изучению проблемы смешивания нейтрино в 1975 году в машине. Б. М. Очень любил подводную рыбную охоту. В Дубне он обычно занимался этим осенью в хорошую погоду, когда вода в таких подмосковных реках, как Нерль, была очень прозрачной. В одну из таких поездок он пригласил меня. В то время уже было хорошо известно смешивание d - и s -кварков. Я спросил: «А почему нейтрино не делают то же самое?» Б. М. Эта возможность показалась весьма интересной: речь шла о симметрии между адронами (кварками) и лептонами. После многочисленных обсуждений мы написали письмо в «P h y s i c s L e t t e r s ». Это было всего пять страниц, но на их написание ушли многие дни. Впоследствии мы написали обзор и много статей. Ни одна из них не писалась так тяжело и так долго, как эта, первая.

Писать работы с Б. М. Всегда было нелегко. Он не допускал малейших неточностей и недоговоренностей, добивался очень ясных формулировок всех предположений и результатов. Прекрасно знал английский (и русский) язык и всегда находил очень красивые, емкие обороты.

В те годы начали появляться первые статьи других авторов, посвященные проблеме смешивания нейтрино. Мы продолжали инетнсивно работать. Через два годы мы построили наиболее общую схему смешивания нейтрино. Нам казалось (мне по крайней мере), что практически все сделано. Я помню, что эта работа была завешена в Крыму на конференции по нелокальной теории поля. Мы неоднократно участвовали в работе этих конференций и практически всегда завершали на них свои работы. Трудно было представить себе в то время, что бум, связанный со смешиванием нейтрино, впереди. Он был связан с появлением теорий великого объединения, в которых очень естественно возникают массы и смешивание нейтрино. В 80-е годы появились сотни теоретических работ, в которых рассматривались эффекты масс и смешивания нейтрино. Начались также специальные опыты по поиску осцилляций нейтрино, идеологию которых предложил Б. М. в свяоих ранних работах.

Работать с Б. М. было нелегко, но для меня это всегда было огромной радостью. Его колоссальные знания, его любовь к физике, его исключительная интуиция и умение качественно понимать сложные проблемы, несомненно, были даром божьим.

Б. М. был человеком исключительно высокой морали (не так часто это встречается в наши дни). Он не мог подписать работу, в которую, как ему казалось, он не внес значительного вклада. Просто идея, которая могла быть решающей, по его мнению, не была достаточным основанием того, чтобы быт соавтором работы.

Б. М. был истинным ученым в лучшем, классическом смысле этого слова. Для него познание истины было потребностью. Когда он думал о чем-то, то думал об этом непрерывно с раннего утра до позднего вечера. Он отдавал науке все свои силы и, хотя он не был безразличен к признанию его вклада в науку, его главным стимулом было страстное стремление к истине. Я глубоко благодарен судьбе за то, что мне выпало счастье в течение многих лет работать с ним.