Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

Бруно инициировал этот эксперимент для группы Р. М. Суляева из Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, которая работала с диффузионной камерой. Они столкнулись с большой проблемой: надо было заполнить камеру редким изотопом гелия – гелием-3. Достать это вещество было не так-то просто. Гелий-3 считался стратегическим материалом, поскольку получался от распада трития, который использовали в водородных бомбах.

С. Герштейн вспоминает [44], что первоначально у экспериментаторов была красивая физическая идея, как можно преодолеть нехватку гелия-3. Они хотели разбавить небольшое количество гелия-3 водородом и использовать явление перехвата мюона – чтобы захват мюона шел на атомах водорода с образованием экзотического атома, где место электрона занимал отрицательный мюон. Надежда была на то, что такой мезоатом будет сталкиваться с атомами гелия-3 и будет происходить перехват мюона от водорода к гелию-3. Бруно попросил Герштейна рассчитать вероятность перехвата мюона от водорода в гелий-3. Однако расчет дал неутешительный результат. Герштейн объявил Суляеву, что ничего у них не получится. Так и оказалось.

Пришлось решать проблему не красивым физическим эффектом, а грубой силой – увеличивать количество гелия-3. Для этого использовали знакомства Бруно. Он рассказал идею эксперимента И. В. Курчатову, тому она понравилась, и он распорядился выделить нужное количество гелия-3.

В результате опыт сделали, получили красивые снимки, по сути – фотографии улетающего нейтрино (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/53). Схематично они показаны на Рис. 33-1.

Единственно, в статье [103] запретили называть количество гелия-3, которое находилось в камере.

Рис. 33-1. Схема треков захвата мюона на фотографии (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/53). Мюон входит слева, поглощается в 3Не и виден короткий трек. То, что это тритий, идентифицируется по пробегу и ионизирующей способности. Нейтрино улетает в направлении, противоположном импульсу трития.

Есть симпатичная фотография https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/21, где Бруно показывает В. П. Джелепову какой-то фокус. Обратите внимание, что на столе лежит знаменитый снимок реакции захвата мюона в 3He.

В 1963 г. за цикл работ по экспериментальным и теоретическим исследованиям слабых взаимодействий и физики нейтрино Б. М. Понтекорво был награжден Ленинской премией.

34. Осцилляции нейтрино

«Почти все важнейшие идеи

в нейтринной физике предложил Понтекорво».

Валентин Телегди[33]

История с осцилляциями нейтрино – это еще один пример для демонстрации неоднозначности понятия «автор открытия». Мы уже столкнулись с такой ситуацией в истории с двумя сортами нейтрино. Оказывается, можно высказать правильную идею, но пройдет сложный путь для ее проверки и Нобелевскую премию получит тот, кто искал совсем другой эффект, но на своем пути увидел ваше предсказание и выбрал правильный вариант.

Случай с осцилляциями нейтрино показывает нам пример того, как неверные слухи о результатах эксперимента породили правильную идею. Но путь от правильной идеи до правильной формулы занял двадцать лет. А абсолютно неверная физическая идея магическим образом привела к правильным уравнениям, и фамилии их авторов теперь вошли в учебники. Но обо всем по порядку.

Неверные слухи

С. М. Биленький говорил [45], что в нейтринной физике каждое глубокое высказывание о нейтрино сопровождалось ошибочным заключением. Так, Паули ввел само понятие нейтрино, но думал о том, что нейтрино есть часть ядра. В случае осцилляций роль ошибочного заключения сыграли слухи о положительных результатах эксперимента, который в середине 50-х годов проводил Раймонд Дэвис [104]. Он искал сигнал от антинейтрино, используя хлор-аргонный метод Понтекорво.

Как мы помним, в реакторах происходит бета-распад нейтрона

Нейтрон превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Поэтому реакторы являются мощными источниками электронных антинейтрино. Это было использовано Ф. Райнесом и К. Коуэном, которым в 1955 г. впервые удалось детектировать взаимодействие антинейтрино в реакции

Красивый эксперимент, идея которого до сих пор используется по всех опытах с реакторными антинейтрино, заключался в детектировании гамма-квантов от аннигиляции позитрона в совпадении с сигналом от поглощения нейтрона. То есть сначала приходил гамма-квант с энергией 0,5 МэВ, а затем, приблизительно через 10 мкс (время, необходимое для поглощения теплового нейтрона) приходили гамма-кванты от захвата нейтрона.

Обратите внимание: сохранение лептонного числа требует, чтобы при взаимодействии антинейтрино (L = –1) в конечном состоянии реакции (19) должен появиться позитрон (L = –1), а не электрон (L = +1). Но в те времена, чем отличается нейтрино от антинейтрино, никто ясно не представлял, и Дэвис хотел попробовать с помощью реакторных антинейтрино сделать опыт Понтекорво по образованию аргона-37

Но Бруно предлагал эту реакцию для взаимодействия нейтрино:

Тут все законно – лептонное число сохраняется. Поэтому, когда появились слухи о том, что Дэвис видит какие-то события от реакции (20) то, казалось, это говорит о несохранении лептонного числа.

Но Бруно предложил другое оригинальное объяснение: что если реакторные антинейтрино по пути к детектору превращаются в нейтрино? То есть происходит цепочка процессов:

Но какой процесс мог бы обеспечить переход антинейтрино в нейтрино νe?

Правильная идея

Бруно предложил, что антинейтрино переходит в нейтрино νe за счет феномена осцилляций, подобных тем, что наблюдаются в системе нейтральных К-мезонов.

В первом же абзаце своей исторической работы 1957 г. «Мезоний и антимезоний» [105] он пишет:

«Гелл-Манн и Пайс впервые указали на интересное следствие, вытекающее из того факта, что K0 и K—0 не являются тождественными частицами. Вероятность превращения K0 → K—0, вызываемого слабыми взаимодействиями, приводит к тому, что нейтральные К-мезоны необходимо рассматривать как смесь частиц K10 и K20, имеющих разную комбинированную четность. В настоящей заметке обсуждается вопрос, существуют ли иные “смешанные” нейтральные частицы (не обязательно “элементарные”), кроме K0 мезонов, которые отличаются от соответствующих античастиц, причем переходы частица → античастица не являются строго запрещенными».

Что такое осцилляции нейтральных К-мезонов? Как мы уже говорили, мезоны K0 и K—0 отличаются флейворным квантовым числом странностью S. Странность К0-мезона S = +1. Странность K—0-мезона S = –1. В сильных взаимодействиях странность сохраняется. Если бы мы жили в Сильном мире, где существуют только сильные взаимодействия, то переходы

были бы строго запрещены. Но в реальном мире есть еще и слабое взаимодействие, в котором странность не сохраняется. Поэтому в Сильно-Слабом мире переходы K0 в K—0 могут проходить через промежуточные состояния с нулевой странностью, типа:

На первый взгляд, это означает, что если бы мы создали пучок чистых K0, то со временем они бы все просто перетекли в K—0. Однако K—0 тоже