С.А. Бунятов

Загадка солнечных нейтрино

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна" N8, 9 (2000)

“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.

Под руководством профессора Р. Дэвиса удалось после месячной экспозции извлечь из 600-тонной мишени всего десяток атомов радиоактивного аргона и зарегистрировать их в пропорциональном счетчике с объемом газа в один кубический сантиметр.

Существенный прогресс в подавлении фона был достигнут благодаря использованию вместо гейгеровского счетчика пропорционального счетчика с большим коэффициентом усиления, разработанного Б. М. Понтекорво еще в 1949 г. Это позволило выделять сигнал от распада аргона-37 не только по амплитуде, но и по форме импульса. “Второе обстоятельство, - вспоминал Бруно Понтекорво, - стало мне ясно только в 1968 году, и я сообщил о нем Дэвису на нейтринной конференции в Москве”. К 1973 г. появились первые результаты эксперимента Дэвиса. Средняя скорость образования аргона-37 составила 1 атом аргона за двое суток экспозиции. В течение более 20 лет Р. Дэвис провел 100 сеансов измерений потока солнечных нейтрино. “Большой успех в регистрации нейтрино, идущих от Солнца, - писал Бруно Максимович, - является, в основном, заслугой Р. Дэвиса, который, применяя хлор-аргоновый метод, ценой героического многолетнего труда достиг цели в середине 70-х годов”. За разработку хлор-аргонового метода и регистрацию солнечных нейтрино Р. Дэвис был награжден пятью премиями США, в том числе премией Национальной Академии наук США (1978 г.), премией Американского химического общества (1979 г.), премией Американского физического общества имени В. Пановского (вместе с Ф. Райнесом, 1992 г.).

Измеренный в опытах Р. Дэвиса поток солнечных нейтрино оказался в 3 раза меньше потока, рассчитанного Дж. Баколлом и другими авторами на основе “стандартной” теоретической модели Солнца, которая исходит из термоядерного происхождения солнечной энергии. Возникла “загадка солнечных нейтрино” или проблема дефицита солнечных нейтрино. Эксперименты с водяными черенковскими детекторами, выполненные в 1987 – 1998 гг. в Японии коллаборациями Камиоканде и Супер-Камиоканде, качественно подтвердили дефицит борных нейтрино от Солнца. В эксперименте регистрировали только нейтрино от распада бора-8 в реакциях рассеяния солнечных нейтрино на электронах в воде. По последним данным, измеренный поток борных нейтрино оказался в два раза меньше расчетного потока. Но черенковскими детекторами и хлор-аргоновым методом регистрировали, в основном, довольно энергичные борные нейтрино, которые составляют всего 0,005 процента от полного потока солнечных нейтрино. Кроме того, поток борных нейтрино очень чувствителен к температуре Солнца; чтобы объяснить дефицит солнечных нейтрино, достаточно было уменьшить в расчетах температуру внутри Солнца на 6 процентов, от 15,6 до 14,6 миллионов градусов.

Необходимы были новые эксперименты, способные регистрировать основной поток солнечных нейтрино от реакции Н + Н ® D + e⁺ + n _e. Поток нейтрино от этой реакции составляет 90 процентов от полного потока и слабо зависит от температуры внутри Солнца. В 1968 г. советский теоретик В. А. Кузьмин предложил аналогичный хлор-аргоновому галлий-германиевый радиохимический метод, который позволил регистрировать практически полный поток солнечных нейтрино. Но только в начале 90-х годов, почти через 20 лет после опытов Р. Дэвиса, удалось зарегистрировать полный поток солнечных нейтрино, включая поток нейтрино от первой термоядерной реакции водородного цикла на Солнце.

Успех был достигнут в двух независимых экспериментах: в советско-американском эксперименте SAGE – в подземной Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН, и в эксперименте Европейской коллаборации – в подземной лаборатории в Гран-Сассо в Италии. Профессор Р. Дэвис принимает активное участие в советско-американском эксперименте на Баксане.

Измеренный полный поток солнечных нейтрино оказался снова меньше расчетного значения, на этот раз примерно в два раза. Загадка солнечных нейтрино остается. Выдвигалось много разных довольно экзотических предположений. Но наиболее часто обсуждаемое объяснение дефицита солнечных нейтрино – это осцилляции нейтрино: зависящие от времени переходы нейтрино из одного состояния в другое. Если имеют место осцилляции, то лишь некоторая часть нейтрино, дошедших от Солнца до Земли, может быть зарегистрирована. Остальные нейтрино из-за перехода в другое состояние не будут вызывать ядерные реакции в детекторе.

Явление осцилляций нейтрино было предсказано Бруно Максимовичем в 1957 году и в наше время стало одной из наиболее актуальных проблем не только в физике самой загадочной частицы – нейтрино, но и во всей физике частиц и астрофизике. Следует подчеркнуть, что Бруно Максимович предсказывал и обсуждал возможное проявление дефицита солнечных нейтрино вследствие осцилляций еще в 1967 – 1969 гг., то есть до того, как появились сообщения Дэвиса о “загадке солнечных нейтрино”.

Свою точку зрения по поводу объяснения и значения опытов Р. Дэвиса Бруно Максимович кратко сформулировал в 1983 году в ответах на вопросы корреспондента журнала “Природа”:

Вопрос: Чем выделена гипотеза осцилляций нейтрино?

Ответ: Объяснение “загадки солнечных нейтрино” с помощью осцилляций выделяется своей неэкзотичностью. Оно привлекательно с точки зрения физики элементарных частиц и не придумано специально для объяснения результатов Дэвиса. Гипотеза осцилляций, в принципе, допускает проверку, независимую от опытов с солнечными нейтрино, например, в экспериментах на реакторах, мезонных фабриках и ускорителях...

Вопрос: И в заключение, как вы оцениваете значение опытов Дэвиса?

Ответ: Я хотел бы подчеркнуть, что Р. Дэвис сделал большое астрономическое открытие и экспериментально доказал, что энергия звезд действительно имеет термоядерное происхождение. Однако проблема солнечных нейтрино не закрыта, и дальнейшие эксперименты могут сыграть важную роль в развитии наших представления как о Солнце, так и о свойствах самих нейтрино.