Летящие насквозь
Каждое мгновение они триллионами пронзают наши тела. От них невозможно спрятаться даже за толщей земного шара. Их почти невозможно поймать, но очень хочется. Они – нейтрино
Чтобы прочесть слово «нейтрино», нужна секунда. За эту секунду каждый квадратный сантиметр вашего тела насквозь прошили десятки миллиардов крошечных снарядов, рожденных в центре Солнца. Сейчас ночь? Неважно: нейтрино проходят через толщу земного шара, даже не замечая ее.
Пространство буквально кишит этими частицами. Одних только реликтовых нейтрино, рожденных вскоре после Большого взрыва, сотни на каждый кубический сантиметр (так, по крайней мере, считают теоретики). Их на несколько порядков больше, чем электронов, не говоря об атомах. А ведь нейтрино рождаются еще и в термоядерных топках звезд, в верхних слоях атмосферы Земли, в глубинах мантии, в ядерных реакторах, при взрывах сверхновых…
Мы не замечаем нейтрино, поскольку они не замечают нас. Эти частицы не причиняют вреда человеку, они его попросту игнорируют (в каком-то смысле, это больнее). Впрочем, как и любую другую материю. Частицы, лишенные электрического заряда и то ли почти, то ли совсем не имеющие массы, проскальзывают между электронами и атомными ядрами, почти никогда не врезаясь в них.
Поэтому нейтрино легко выскальзывают из таких уголков, откуда ничто другое не вырывается неизменным. Например, фотон, рождающийся в центре Солнца, бессчетное количество раз поглощается и вновь переизлучается веществом. Поэтому его путь к поверхности светила занимает десятки, если не сотни тысячелетий. Эта одиссея меняет фотоны до неузнаваемости: жесткие гамма-лучи становятся обыкновенным светом. А вот нейтрино, рожденные в тех же термоядерных реакциях, что и фотоны, пронзают толщу звезды, будто ничего не заметив. Они-то и позволяют астрономам буквально по полочкам разложить термоядерные реакции в центре Солнца, геофизикам – изучить распад радиоактивных элементов в мантии Земли, а специалистам по ядерной безопасности – на расстоянии заглянуть в любой реактор. Словом, нейтрино требуются всем.
Но если эти частицы высокомерно не замечают всей толщи земного шара, как заставить их снизойти до взаимодействия с детектором? К счастью, «нейтрино почти никогда не взаимодействует с материей» не означает «совсем никогда». Крайне редко какая-нибудь из этих частиц все-таки врезается в электрон или атомное ядро. Физики изобрели довольно много способов зафиксировать это знаменательное событие. Мы расскажем о самых важных.
Пусть не поймаешь нейтрино за бороду
Столкнувшись с нейтроном атомного ядра, нейтрино превращает его в протон. А число протонов, как нас учили в школе, это «паспорт» химического элемента. С семнадцатью протонами это было ядро хлора, а коль скоро их стало 18, это, простите великодушно, уже аргон. Пересчитав образовавшиеся в мишени ядра аргона, можно узнать, сколько нейтрино в нее попало. Поштучно.
Минуточку, что значит «пересчитав ядра»? В стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане! Значит, нужно, чтобы атомы аргона сами заявляли о себе. Как? Своим радиоактивным распадом и сопутствующим ему излучением. К счастью, нерадиоактивный хлор-37 под ударом нейтрино превращается как раз в радиоактивный аргон-37.
Этот метод регистрации нейтрино был предложен Бруно Понтекорво, советским физиком итальянского происхождения, еще в 1946 году. «Пусть не поймаешь нейтрино за бороду / И не посадишь в пробирку, – / Было бы здорово, чтоб Понтекорво / Взял его крепче за шкирку!», – пел Высоцкий в 1960-х. Однако первые солнечные нейтрино были зарегистрированы этим методом не в СССР, а в США.
Впрочем, в 1965 году советский физик Вадим Алексеевич Кузьмин предложил еще более перспективный способ «ловли за бороду». Он основан на превращении галлия-71 в радиоактивный германий-71. Этот метод позволяет регистрировать нейтрино с энергией от 0,2 мегаэлектронвольт (МэВ), в то время как хлор-аргоновый – от 0,8 МэВ. Поэтому галлий-германиевые телескопы улавливают куда большую долю солнечных нейтрино. Сегодня в мире осталась ровно одна крупная установка этого класса. Это Галлий-германиевый нейтринный телескоп Баксанской нейтринной обсерватории в Кабардино-Балкарии.
