Представляем лауреата

Загадка солнечных нейтрино

“Нигде так ясно не проявляется связь
между микромиром и космосом, как
в физике нейтрино”. Б. М. Понтекорво.

14 января на Ученом совете ОИЯИ состоялось награждение лауреата премии имени академика Б. М. Понтекорво. Директор ОИЯИ В. Г. Кадышевский и председатель жюри Д. В. Ширков вручили диплом лауреату премии за 1999 год американскому ученому Реймонду Дэвису. Премия была присуждена “за выдающиеся достижения в разработке хлор-аргонового метода регистрации солнечных нейтрино”. С кратким словом о лауреате выступил секретарь жюри С. А. Бунятов. Затем Реймонд Дэвис сделал интересный доклад “О регистрации солнечных нейтрино хлор-аргоновым методом”.

Радиохимический хлор-аргоновый метод для обнаружения нейтрино был впервые предложен академиком Б. М. Понтекорво в ноябре 1946 года. Бруно Максимович работал в то время в Канаде научным руководителем физического проекта ядерного реактора Национальной лаборатории в Чок-Ривере. Следует отметить, что сцинтилляционные счетчики, столь успешно использованные в 50-е годы для регистрации свободных антинейтрино от реактора, тогда еще не были изобретены. Для прямого обнаружения реакций, вызываемых нейтрино, Б. М. Понтекорво сформулировал требования и к веществу мишени и к радиоактивным ядрам – продуктам реакции. Всем необходимым требованиям удовлетворяла реакция на изотопе хлор-37 с образованием радиоактивного ядра аргона-37.

Однако из-за чрезвычайно малой вероятности взаимодействия нейтрино с веществом в те годы мало кто верил, что можно будет обнаружить такую реакцию. Прежде всего, необходимо было найти очень интенсивные источники довольно энергичных нейтрино. В качестве возможных Бруно Максимович обсуждал три источника: солнце, работающий ядерный реактор и продукты деления “горячего” урана, извлеченные из реактора.

Поток солнечных нейтрино на поверхности Земли достаточно велик. Он составляет ~60 миллиардов нейтрино в одну секунду на квадратный сантиметр. Но в 1946 году, когда Б. М. Понтекорво выдвигал свое предложение, не были еще известны источники достаточно энергичных нейтрино на Солнце, способные вызвать реакцию с хлором. Эта реакция имеет порог по энергии и может идти только при энергиях нейтрино больше примерно одного миллиона электронвольт. А энергия основного потока солнечных нейтрино намного ниже порога реакции с хлором. Поэтому Б. М. Понтекорво отмечал тогда, что энергия солнечных нейтрино маловата для регистрации хлор-аргоновым методом.

Но Понтекорво впервые обратил внимание на то, что урановые реакторы, физику которых он хорошо знал, являются интенсивными и достаточно энергичными источниками нейтрино (точнее, антинейтрино). Работа реактора мощностью 1000 МВт сопровождается испусканием ~ 2 х 10²⁰ антинейтрино в секунду, а на детектор, расположенный на расстоянии 10 - 15 м от активной зоны, падает поток, равный ~ 10¹³ антинейтрино через квадратный сантиметр в секунду. Бруно Максимович считал, что реакторы могут быть наиболее удобными источниками для обнаружения антинейтрино.

Профессор Р. Дэвис, химик по образованию, начал разработку радиохимического хлор-аргонового метода в начале 50-х годов. И уже в 1955 г. он поставил эксперимент по обнаружению реакции с хлором на реакторе в Брукхейвене, а в 1956 – 1959 гг. продолжил его на более мощном реакторе в Саванна-Ривер (США). Результат эксперимента оказался отрицательным: реакция с хлором не осуществлялась под действием антинейтрино. Однако из этого отрицательного результата следовал очень важный вывод: нейтрино и антинейтрино – не тождественные частицы, они имеют особый, неэлектрический “нейтринный заряд” разного знака. Вскоре выяснилась сущность, природа этого заряда. Оказалось, что нейтрино и антинейтрино вращаются в разные стороны относительно направления своего движения. При этом нейтрино напоминает штопор с левыми витками, а антинейтрино – с правыми.

Систематические эксперименты по регистрации солнечных нейтрино хлор-аргоновым методом профессор Р. Дэвис начал в 1968 году в Брукхейвене. К этому времени уже было известно, что в недрах Солнца в результате цепочки термоядерных реакций может образоваться бор-8 (Уильям Фаулер, 1958 г.). Распадаясь, бор-8 испускает самые энергичные солнечные нейтрино с максимальной энергией 14 миллионов электрон/вольт. Это намного выше порога хлор-аргоновой реакции. Кроме борных нейтрино, этим методом можно было регистрировать и часть бериллиевых нейтрино от реакции ⁷Ве + е^- ® 7Li^* + n _e. Для подавления фона от космического излучения вся установка Р. Дэвиса располагалась на глубине 1480 метров под землей в шахте “Хоумстейк” (штат Южная Дакота, США), где раньше добывали золото. Детектор в виде огромной горизонтальной цистерны содержал 610 тонн перхлорэтилена (C₂Cl₄), жидкости с характерным запахом, которая применяется также и для сухой химчистки одежды.