Их имена - в истории науки

Ученый высочайшего ранга

Почти 10 лет прошло с того печального дня, 24 сентября 1993 года, когда среди нас не стало выдающегося ученого современности, академика Бруно Максимовича Понтекорво, 22 августа ему исполнилось бы 90 лет.

Отец Бруно, Массимо Понтекорво, был промышленником, мать, Мария Понтекорво, - дочерью врача. Со слов самого Бруно их семья была благополучной и многодетной, у него было четыре брата и три сестры. Сам Бруно Максимович наиболее известными из своих братьев называл Гуидо (биолог) и Джилло (кинорежиссер). Большое влияние на формирование личности Бруно имела глубокая любовь его отца к справедливости, эту же любовь и сам Бруно Понтекорво пронес через всю свою жизнь.

В школе, как он сам утверждает, Бруно учился умеренно хорошо, считая самым важным делом теннис, настоящим знатоком и ценителем которого он был. После школы первые два года он учился на инженерном факультете в Пизе, а затем по совету своего брата Гуидо перешел на третий курс факультета физики и математики Римского университета. С 1931 по 1936 годы он был студентом, а затем в составе широко известной группы "мальчиков с улицы Панисперна". Под руководством великого итальянского физика Энрико Ферми Б. Понтекорво участвовал в работах по изучению свойств медленных нейтронов, в которых было открыто явление замедления нейтронов и впервые исследовано взаимодействие нейтронов с ядрами. Эти, ставшие классическими, опыты положили начало практическому использованию ядерной энергии.

В 1936-1940 годах Б. Понтекорво работал в Институте радия в Париже под руководством Фредерика Жолио-Кюри. Здесь он выполнил большой цикл работ по исследованию ядерной изомерии, предсказал существование изомерных состояний у бета-стабильных атомных ядер и экспериментально нашел первый такой изомер - кадмий. Он предположил, что изомерные гамма-переходы должны иметь большие коэффициенты внутренней конверсии и доказал справедливость этого предположения. Эти исследования привели Б. Понтекорво к открытию ядерной фосфоресценции - возбуждения метастабильных состояний β-стабильных изотопов γ-квантами МэВ'ных энергий. За эти исследования Понтекорво получил премию Кюри - Карнеги.

В 1940-42 годах Б. Понтекорво работал в США в частной фирме, занимавшейся геофизическими методами зондирования нефтяных скважин. Большой опыт работы в области физики медленных нейтронов, который Б. Понтекорво приобрел в группе Ферми, помог ему предложить и разработать новый, весьма эффективный геофизический метод разведки нефти - нейтронный каротаж, суть которого состоит в измерении наведенной нейтронами радиоактивности пород, в которых пробурена скважина.

В 1943-48 годах Б. Понтекорво работал в Канаде. Он участвовал в разработке и запуске самого мощного в то время исследовательского реактора на тяжелой воде в Чок-Ривере. Здесь же, в Канаде Б. Понтекорво начал исследования по физике элементарных частиц. Он выполнил пионерские эксперименты по изучению фундаментальных свойств мюона. Им было доказано, что заряженная частица, образующаяся в распаде мюона, является электроном, что мюон распадается на три частицы и что распад мюона на электрон и фотон запрещен (что в последствии привело к понятию лептонных зарядов, различающих заряженные и нейтральные лептоны разных поколений). Опираясь на замеченную им глубокую аналогию между мюоном и электроном, Б. Понтекорво впервые обратил внимание на то, что вероятность μ-захвата характеризуется константой Ферми (определяющей вероятность β-распада), и впервые высказал гипотезу о существовании единого μ-е универсального слабого взаимодействия. Само словосочетание "слабые взаимодействия" принадлежит именно перу Бруно Понтекорво (1947 год).

Бруно Понтекорво по справедливости считают основоположником экспериментальной физики и астрофизики нейтрино. В течение долгого времени было широко распространено мнение о том, что свободные нейтрино, благодаря их чрезвычайно малому сечению взаимодействия, зарегистрировать практически невозможно. Он первым предложил методы регистрации нейтрино. В известной работе, опубликованной в 1946 году в виде отчета лаборатории в Чок-Ривер, он предложил радиохимический хлор-аргонный метод регистрации нейтрино от Солнца, ядерных реакторов и ускорителей, который используется до сих пор.

Радиохимический метод Б. Понтекорво является в настоящее время одним из основных методов регистрации нейтрино от Солнца. Хлор-аргонный метод используется более 20 лет в эксперименте нобелевского лауреата 2002 года Р. Девиса, в котором регистрируются солнечные нейтрино относительно больших энергий (более 0,8 МэВ). Однако оказалось, что радиохимический метод Понтекорво обладает гораздо большими возможностями. Путем использования перехода галлий-германий, предложенного Вадимом Кузьминым, две международные коллаборации ГАЛЛЭКС (ныне ГНО) и САГЭ смогли осуществить регистрацию солнечных нейтрино, начиная с меньших энергий (E_ν <0,4 МэВ), которые являются продуктами реакции и составляют значительную часть потока нейтрино от Солнца.

В настоящее время существенный прогресс достигнут в опытах по регистрации солнечных нейтрино. Во всех современных экспериментах наблюдается примерно вдвое меньший поток солнечных нейтрино, чем поток, предсказываемый стандартной солнечной моделью. Этот "дефицит" может свидетельствовать о том, что массы нейтрино отличны от нуля и имеет место переход нейтрино одного типа в другой - осцилляции. На важность эффектов осцилляций для опытов по регистрации солнечных нейтрино Б. Понтекорво обратил внимание еще до первых экспериментов Р. Девиса, по существу предсказав возможность нехватки нейтрино от Солнца вплоть до множителя 1/2.

Многим Бруно Максимович запомнился выдающимся ученым, ставившим и решавшим исключительно фундаментальные проблемы физики элементарных частиц. Нужно сказать, что он, много времени посвятивший методическим задачам, придавал большое значение методике эксперимента. В этой связи он всегда высоко ценил ученых, занимающихся методикой физического эксперимента. Сам Б. Понтекорво внес значительный вклад в развитие техники регистрации солнечных нейтрино. Он разработал пропорциональный счетчик малых размеров, использовавшийся в опытах с нейтрино от Солнца, позволявший считать ничтожные количества радиоактивных ядер аргона или германия, выделенных из многотонных масс растворов хлора или галлия, облученных этими нейтрино.

Используя новую методику пропорциональных счетчиков, он впервые в 1949 году (совместно с Г. Ханна) наблюдал ядерный захват L-электронов в аргоне и выполнил первое измерение бета-спектра трития, из которого было получено лучшее по тому времени ограничение на массу электронного нейтрино (меньше 500 эВ). Кроме того, в 1968 году для значительного уменьшения эффективного фона в солнечных экспериментах Б. Понтекорво предложил в дополнение к измерению амплитуд сигналов с пропорциональных счетчиков измерять также и форму импульса этих сигналов. Эта идея была реализована впоследствии Р. Дэвисом, а в настоящее время широко используется в экспериментах, нацеленных на регистрацию крайне малого числа ожидаемых полезных событий, таких как, например, поиск безнейтринного двойного бета-распада ядер, на важность которого для определения природы нейтрино (майорановская или дираковская частица) также указывал Б. Понтекорво.

В 1948-50 годах Б. Понтекорво работал в Харуэлле (Англия), а в августе 1950-го он с женой и тремя сыновьями переехал в Советский Союз. По поводу этого переезда много разных легенд ходило по свету. Сегодня достаточно, следуя В.П. Джелепову, по этому поводу привести цитату из выступления в 1994 году президента итальянской академии Линчеи Джорджио Сальвини: "Бруно убежденно верил в коммунизм как вдохновляющую и правящую в мире силу, как человек, верящий в свое религиозное "кредо"". Дж. Сальвини также особо подчеркивал непричастность Бруно к ядерному оружию, о чем ему лично рассказывал Э. Ферми, хорошо осведомленный обо всех проблемах, связанных с созданием в США этого оружия, и активно участвовавший в этих работах.

Б. Понтекорво прибыл в СССР вскоре после запуска в Дубне самого мощного тогда в мире синхроциклотрона. Он активно включился в проводящиеся на этом ускорителе исследования в области физики сильных взаимодействий. В экспериментах группы Б. Понтекорво был исследован процесс рождения π⁰-мезонов в нуклон-нуклонных соударениях. Большой цикл исследований был посвящен изучению процесса упругого рассеяния пионов нуклонами. Это были годы становления экспериментальной физики высоких энергий в СССР.

В 1951 году Бруно Понтекорво обратил внимание на казалось бы явное противоречие между большой вероятностью образования (за счет сильных взаимодействий) и большим временем жизни (за счет слабых взаимодействий) так называемых странных частиц, что позволило ему в 1953 году высказать гипотезу совместного рождения каонов и гиперонов. С целью проверки этой гипотезы группа Б. Понтекорво в Дубне провела опыт по поиску рождения одиночных Λ-гиперонов в столкновениях протонов с энергией 700 МэВ с нуклонами. Из того, что такие процессы не были обнаружены, Б. Понтекорво сделал вывод, что изотопический спин каона равен 1/2 , то есть, что существуют два различных нейтральных каона . Анализируя данные опытов по изучению осцилляций , Б. Понтекорво (совместно с Л.Б. Окунем) пришел к заключению о том, что в слабых процессах первого порядка квантовое число "странность" может меняться не больше чем на единицу.

После 1957 года научные интересы Б. Понтекорво в основном связаны с физикой слабого взаимодействия и в особенности с физикой нейтрино. Глубокая научная интуиция и талант Бруно Максимовича особенно ярко проявились в эти годы. В 1959 году он публикует фундаментальную работу "Электронные и мюонные нейтрино", в которой было показано, что нейтрино от ускорителей могут быть зарегистрированы большими детекторами, и предложен опыт, который ответил бы на вопрос о том, отличаются ли друг от друга электронное и мюонное нейтрино. С постановки и успешной реализации этого эксперимента в Брукхейвене (1962 год), по существу, началась физика нейтрино высоких энергий на ускорителях.

В 1957-58 годах Б. Понтекорво впервые рассмотрел возможность взаимопревращений мюония (положительный мюон и электрон) в антимюоний (отрицательный мюон и позитрон) и предположил, что осцилляции в физике могут происходить не только в случае бозонов (которыми являются нейтральные каоны и мюоний), но и в случае электрически нейтральных фермионов. Так впервые возникла гипотеза об осцилляциях нейтрино. Она основывалась на идее глубокой аналогии слабого взаимодействия лептонов и адронов, которой Бруно Понтекорво руководствовался задолго до появления кварк-лептонной симметрии в современной стандартной теории электрослабого взаимодействия. Таким образом, Б. Потнекорво рассматривал осцилляции нейтрино как явление, аналогичное осцилляциям нейтральных каонов, и возможное только в случае, если нейтрино обладают малыми, отличными от нуля массами. В то время не было еще известно мюонное нейтрино и Б. Понтекорво впервые ввел понятие стерильности нейтрино, рассматривая осцилляции нейтрино в стерильное антинейтрино. При этом определенными массами обладали две гипотетические частицы Майораны, суперпозициями которых были обычное и стерильное нейтрино. Бруно Понтекорво уже тогда было совершенно ясно, что осцилляции нейтрино имеют первостепенное значение для обнаружения ненулевых масс нейтрино, несохранения лептонного заряда, измерения потока солнечных нейтрино и астрофизики в целом.

В 1958-59 годах гипотеза об отличных от нуля массах нейтрино была весьма смелым предположением, сразу выходившим за рамки только что созданной Ландау, Саламом, Ли и Янгом двухкомпонентной теории нейтрино, и мало кто относился к этому предположению серьезно. В настоящее время десятки экспериментов по всему миру посвящены поиску осцилляций нейтрино. Причем поиск осцилляций нейтрино рассматривается как поиск эффектов, выходящих за рамки стандартной теории электрослабого взаимодействия. На этом пути уже достигнут значительный прогресс, достаточно упомянуть результаты измерений потоков солнечных нейтрино коллаборациями SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада), где получены достаточно убедительные свидетельства в пользу осцилляций нейтрино от Солнца. Более того, в 2002 году международная коллаборация KamLAND опубликовала данные по измерению потока реакторных антинейтрино на большом расстоянии от японских атомных станций. Из этих данных удается не только надежно обнаружить недостаток таких антинейтрино, но и недвусмысленно увидеть искажение спектра регистрируемых антинейтрино за счет эффекта осцилляций. По существу, в настоящее время, физики-оптимисты уже утверждают, что нейтринные осцилляции - это свершившийся факт, а физикам-пессимистам для этого утверждения не хватает самой малости.

В 1961 году Б. Понтекорво с сотрудниками был выполнен важный опыт по изучению процесса захвата мюонов 3He. Полученные при этом данные подтвердили гипотезу μ-е универсальности и позволили впервые получить верхний предел для массы мюонного нейтрино (меньше 6 МэВ). Вот как вспоминает об этом важном эксперименте Р.М. Суляев: "В 50-х годах накопилось уже достаточно фактов, свидетельствующих о том, что электроны и мюоны в электромагнитных взаимодействиях ведут себя одинаковым образом. Однако большое различие в массах этих частиц заставляли (и заставляют до сих пор) искать причины такого различия. Давно стоял вопрос: а как взаимодействуют мюоны с нуклонами? Предполагалось, что существует универсальность слабого взаимодействия, в силу которой процесс захвата мюона протоном должен быть аналогичен β-распаду нейтрона. С экспериментальной точки зрения точный ответ на этот вопрос оказался чрезвычайно непростым. Изучение элементарного процесса захвата мюонов протонами натолкнулось на серьезные трудности, связанные не только с малой вероятностью этого процесса, но и так называемыми мезо-молекулярными эффектами, сильно запутывающими интерпретацию экспериментальных результатов. Захват мюонов сложными ядрами не давал надежных результатов из-за неопределенности ядерной волновой функции. Вот тогда то Бруно Максимович и выступил со смелой инициативой исследовать в диффузионной камере процесс захвата мюонов редким изотопом гелия-3, с образованием трития в конечном состоянии. Поскольку этот процесс в случае универсальности является обратным β-распаду трития, то сравнение вероятностей этих двух процессов практически без неопределенностей должно было дать ответ на поставленный вопрос. Бруно Максимович не испугался многочисленных трудностей, с которыми было связано выполнение этого опыта, и все сотрудники, зараженные его энтузиазмом, взялись вместе с ним за работу.

Одна из основных трудностей состояла в том, где найти большое количество (а нам требовалось около 300 литров) гелия-3. В природном гелии содержание легкого изотопа не превышает одной стотысячной доли процента, и извлечение его из смеси, является делом далеко не легким. Задача казалась неразрешимой. Но Бруно Максимович со свойственной ему широтой взглядов все же нашел выход из положения. Он обратился за помощью в те места, где гелий-3 является естественным отходом при хранении искусственного синтезированных тритиевых продуктов. Казалось вопрос был решен. Однако полученный газ оказался сильно загрязненным радиоактивным тритием, малейшая примесь которого исключала возможность его применения в диффузионной камере. Но и тут Бруно Максимович не пал духом. Он установил связь с имевшим большой опыт работы с изотопами гелия Институтом физических проблем, который помог решить эту труднейшую задачу. Начались опыты, в которых все участники, поддерживаемые и направляемые Бруно Максимовичем, работали с большим вдохновением.

Результаты целой серии проведенных экспериментов позволили ответить на ряд фундаментальных вопросов. Главные из них следующие. Во-первых, было прямым образом показано, что в результате захвата мюонов гелием-3 вместе с тритием вылетает нейтральная частица, обладающая спином 1/2 и имеющая массу, совместимую с нулевой, т.е. нейтрино. Во-вторых, сравнение измеренной вероятность захвата мюонов гелием-3 с β-распадом трития свидетельствовало об универсальности процессов β-распадов и μ-захвата."

Дирекция Объединенного
института ядерных исследований,
дирекция
Ллаборатории ядерных проблем.
(Окончание в следующем номере)