История открытий: от первого лица
Первая бутылка с нейтронами и все, что этому предшествовало
Мы попросили А.В.Стрелкова написать о его с коллегами из ЛНФ работе, получившей премию ОИЯИ за 2006 год. Так получилось, что в то время, когда Александр Владимирович писал эту статью, он выступил в Музее истории науки и техники ОИЯИ с лекцией "Открытие явления удержания медленных нейтронов". Нам показалось, что читателям еженедельника будет интересно до того, как они узнают о самых последних исследованиях с ультрахолодными нейтронами, познакомиться с историей их открытия, рассказанной одним из его соавторов.
В самый разгар лета 1968 года в Дубне в Лаборатории нейтронной физики впервые наблюдалось удивительное явление: удержание очень медленных нейтронов в сосуде из обычного вещества. Свободные нейтроны, вылетев из замедлителя реактора ИБР, попадали в вакуумированную медную трубу и в течение 300 секунд удерживались в этой трубе, постоянно сталкиваясь с ее стенкой, что и ограничивало свободу этих нейтронов. Таким образом, удерживаемое в трубе облако из нейтронов напоминало поведение обычного сильно разреженного газа, молекулы которого свободно летали от стенки к стенке сосуда, в котором они заключены. В 1975 году это явление было зарегистрировано как открытие, авторами которого стали: Я.Б.Зельдович из Института химической физики и сотрудники ЛНФ В.И.Лущиков, Ю.Н.Покотиловский, А.В.Стрелков и Ф.Л.Шапиро.
Открытия и другие значительные достижения в науке и технике обычно следуют без большой задержки за общим развитием знаний о природе, которым они обязаны самым непосредственным образом. Например, высадка человека на Луну не могла произойти намного раньше, чем она произошла, а открытия в физике элементарных частиц почти незамедлительно следовали за вводом в действие мощных ускорителей. Открытие удержания нейтронов не подчиняется этой закономерности, так как оно могло бы произойти и на четверть века ранее.
Оптический потенциал, который объясняет отражение нейтронов от поверхности, Э.Ферми ввел еще в 1934 году для объяснения наблюдаемого смещения оптических спектральных линий в зависимости от давления в газообразном источнике света. Впоследствии он применил этот метод для объяснения полного отражения нейтронов от поверхности вещества. С появлением в начале сороковых годов прошлого века атомных реакторов - мощных источников нейтронов - Э.Ферми, направляя пучки тепловых нейтронов под малыми углами к поверхности и измеряя величину максимально возможной нормальной компоненты (зависящей только от оптического потенциала вещества), впервые определил значения амплитуд рассеяния нейтронов для целого ряда элементов. В принципе, тогда же он мог бы реализовать удержание нейтронов в сосудах из обычных веществ. Почему он этого не сделал, остается загадкой. По свидетельству Б.М.Понтекорво, Э.Ферми в разговоре с ним часто мечтал о "нейтронной бутылке", но одновременно с этим Э.Ферми даже в 1950 году в популярной лекции для студентов не допускал самой возможности создания таких "бутылок", говоря, что "... не существует, к сожалению, сосудов, способных удерживать нейтроны...".
Удивительно также, что возможность реализации удержания нейтронов была отвергнута самим Э.Резерфордом еще в 1920 году - задолго до открытия самого нейтрона. Предсказывая существование нейтрона, он писал: "...Электрон может быть связан с ядром водорода намного сильнее, образуя нечто вроде нейтрального дублета. Такой атом обладал бы своеобразными свойствами. Его внешнее поле было бы практически равно нулю,.. и такие атомы невозможно было бы сохранять в герметически закрытом сосуде".
И все-таки с начала пятидесятых годов советские физики Я.Б.Зельдович, А.И.Алиханов, А.И.Ахиезер, И.Я.Померанчук, Э.Л.Андроникашвили в дискуссиях высказывали мнение о возможности реализации нейтронной бутылки. Как рассказывали Ю.С.Замятнин и другие участники семинара в ВНИИЭФ (г. Саров) в 1952 году, услышав от Я.Б.Зельдовича о том, что нейтроны могут быть загружены в ящик и вывезены за пределы исследовательского института, почти никто не поверил в серьезность этого сообщения, тем более, что все знали - сам Я.Б.Зельдович любил устраивать розыгрыши и часто шутил на семинарах. Вот эту ситуацию, когда сама идея удержания нейтронов буквально витала в воздухе, очень точно отразил Я.Б.Зельдович, начав свою краткую статью в ЖЭТФ в 1959 году словами: "Идея удержания медленных нейтронов высказывалась неоднократно...". В этой статье он с помощью простых и понятных рассуждений сделал оценку времени удержания нейтронов в графитовых и бериллиевых сосудах. Через год в этом же ЖЭТФ появилась обстоятельная статья В.В.Владимирского, в которой предлагалось удерживать медленные нейтроны и в магнитных бутылках благодаря тому, что нейтрон представляет из себя маленький магнитик. В этой же статье была предложена идея конвертора (внутреннего замедлителя) с оценкой эффективности его действия, были предложены вакуумированные нейтроноводы для транспортировки нейтронов от реактора, и впервые очень медленные нейтроны, способные храниться в сосуде, получили название "ультрахолодные нейтроны".
По предложению Ф.Л.Шапиро в 1960 году в Лаборатории нейтронной физики был проведен семинар, на котором выступил В.В.Голиков с сообщением о предложении Я.Б.Зельдовича создать "нейтронную бутылку". Как рассказывал сам докладчик и другие участники этого семинара, мало кто понимал сущность эффекта удержания нейтронов, и после обсуждения не было предпринято даже попыток реализации такого устройства.
В 1966 году американский физик Л.Фолди независимо от Зельдовича предложил создать бутылку для нейтронов, полагая, что их можно будет хранить только в сосуде со стенками из жидкого гелия при температуре не выше 10-4 К. Пожалуй, Л.Фолди действительно ничего не знал о работе Я.Б.Зельдовича, ибо он смог предположить только равновесное хранение УХН на потенциале Ферми жидкого гелия, не принимая в расчет глубоко неравновесый процесс, когда нейтроны могут хорошо храниться в сосуде при комнатной температуре, превышающей на 5-6 порядков температуру хранящегося нейтронного газа.
С момента публикации статьи Я.Б.Зельдовича шли годы, а никто так и не решался поставить эксперимент по удержанию нейтронов. К феномену "нейтронной бутылки" физики сначала относились как к экзотической, забавной, трудновыполнимой и бесполезной игрушке. Пессимизма в этом деле добавили и авторы вышедшего в 1965 году обстоятельного труда по медленным нейтронам И.И.Гуревич и Л.В.Тарасов, которые, описав свойства УХН, заявили, что они "вряд ли будут когда-либо использованы в эксперименте" по причине исключительно малой их доли в максвелловском спектре тепловых нейтронов от реактора (~10-12).
Может быть, и по сей день УХН так и остались бы невостребованными и существовали только в виде красивой сказки, если бы не Ф.Л.Шапиро, который в 1968 году призвал нас к практическому освоению УХН. Он усмотрел большие преимущества использования УХН в эксперименте по поиску электрического дипольного момента нейтрона (ЭДМ), что позволило бы еще раз проверить нарушение временной инвариантности, которое незадолго до этого было обнаружено американскими физиками в распадах К0-мезонов.
Я впервые узнал об УХН весной 1967 года от Ф.Л.Шапиро, рассказавшего мне о нейтронах, которые можно перегнать бегом. Я подумал, что это шутка. Однако через год, в начале мая 1968 года, Федор Львович позвал меня и работающего со мной Леню Булавина, аспиранта Киевского университета (теперь он украинский академик), в своей кабинет и рассказал нам о преимуществах УХН для эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона. На прощанье Федор Львович подарил нам по свежему оттиску своей статьи в журнале УФН, посвященной этой проблеме, и сказал: "Подумайте!". Киевское руководство Л.Булавина запретило ему заниматься "другими побочными делами", и я остался один. Ближайший мой коллега и товарищ Юра Останевич весьма прохладно, даже с долей сарказма прокомментировал предложение Федора Львовича: "Все равно ничего у вас не выйдет!".
Через некоторое время Федор Львович предложил мне разыскать в нашей лаборатории "безхозного", как он выразился, аспиранта из Института химической физики Ю.Покотиловского и вовлечь его в эту задачу. Федор Львович прекрасно понимал, что обнаружить УХН можно только извлекая их, составляющих мизерную долю от общего потока нейтронов от мощного реактора. Федор Львович провел ряд семинаров в ЛИПАН, ИТЭФ и МИФИ, агитируя тамошних физиков заняться УХН на их реакторах, однако никто не согласился бросить свои дела и переключиться на УХН. (Тут мы отметим, что после успешного эксперимента по наблюдению УХН в Дубне, Федор Львович получил приглашения на совместные исследования с УХН от всех, кто ранее отказал ему в этом.) Ничего другого не оставалось, и в начале июня Федор Львович предложил попытаться обнаружить УХН на нашем "дохленьком" ИБР, поток нейтронов от которого был в тысячи раз меньше, чем потоки нейтронов от стационарного реактора. На такую же величину должен был быть слабее и поток УХН. Положение осложнялось и тем, что наш ИБР через полтора месяца останавливался на долгую реконструкцию. Для усиления этих работ Федор Львович решил привлечь еще двух квалифицированных физиков - В.И.Лущикова и Ю.В.Тарана. Последний отказался со словами, что "в очередную аферу шефа он ввязываться не желает".
Сначала нам казалось, что УХН на смогут далеко отойти от реактора, и мы поставили эксперимент по наблюдению УХН непосредственно у активной зоны реактора. Более тонны установленной защиты перед детектором нейтронов в зале реактора не смогли защитить детектор. Детектор "затыкался" во время вспышки реактора и не мог регистрировать нейтроны в пятисекундном интервале между вспышками. Это сильно охладило наш энтузиазм. До остановки реактора оставалось менее месяца, но мы решили все-таки попробовать и вывести УХН по вакуумной трубе из зала реактора в экспериментальный зал, где после загиба трубы на ее конце установили сцинтилляционный детектор нейтронов. Вся установка была придумана и изготовлена всего за две недели. Федор Львович подключил к нашей работе еще двух высококвалифицированных лаборантов Е.Н.Кулагина и С.И.Неговелова, а также инженера Б.И.Апполонова и электронщика А.И.Иваненко. Все работали с огромным энтузиазмом и шутили, что можно хорошенько развернуться, так как почти вся лаборатория разбежалась по отпускам.
В четверг, 25 июля мы закончили складывать защиту детектора - огромный, более двух метров высотой, куб из парафиновых блоков и свинцовых кирпичей - и запустили установку. Тоненькая, всего в два микрона, медная шторка поочередно закрывала два детектора нейтронов на конце нейтроновода - медной трубы диаметром 10 см и длиной 10 м, по которой УХН должны от реактора, многократно сталкиваясь со стенками трубы, добираться до детектора. Устранив некоторые аппаратурные огрехи, мы стали набирать статистику. Нейтроны регистрировались в пятисекундном интервале между вспышками реактора с интенсивностью всего 1 нейтрон за 3 минуты (это соответствовало расчету), причем закрытие шторкой детектора ослабляло его счет в 3-4 раза.
Тут настал самый драматический момент: 31 июля в 22.30 реактор был остановлен на плановую реконструкцию. Набранной нами статистики явно не хватало, чтобы утверждать, что в шторочной разнице счетов детекторов мы четко наблюдаем УХН. К тому же было замечено, что вакуум в нейтроноводе ухудшается со временем, и нам не хватало и некоторых контрольных экспериментов. Нужны были всего-то одна-две недели работы реактора, чтобы закончить эксперимент, не откладывая его надолго из-за предстоящей реконструкции. Мы с грустью наблюдали, как служба реактора по своему плану стала интенсивно разбирать пульт управления. В этой ситуации заместитель директора ЛНФ Ф.Л.Шапиро проявил себя очень мудрым и настойчивым руководителем, убедив, что было очень непросто, директора лаборатории И.М.Франка и главного инженера С.К.Николаева продлить срок работы реактора еще на две недели. Нам хватило и одной, чтобы окончательно удостовериться, что мы наблюдаем многократные - десятки тысяч раз - столкновения нейтронов со стенками медной трубы за время, в течение которого они добираются от реактора к детектору.
Доказательством этому было:
С этого первого эксперимента с УХН прошло почти сорок лет. Тогда же и родилась новая область исследований в нейтронной физике - физика ультрахолодных нейтронов. Я до сих пор не перестаю удивляться, как нам это удалось и вовсе не по "Проблемно-тематическим планам" и решениям всевозможных НТС, когда мы дружно навалились на одно дело и, увлеченные этой целью, несмотря ни на что, все-таки достигли ее; когда у нас был замечательный учитель, замечательный физик и замечательный человек - Федор Львович Шапиро.
P.S. Августовским утром последнего дня работы реактора в пультовую комнату нашей установки вошел улыбающийся Федор Львович с огромным арбузом в руках и сказал: "Заслужили! Давайте съедим этот большой нейтрон".
А. СТРЕЛКОВ, ведущий научный сотрудник ЛНФ