Первая бутылка с нейтронами и все, что этому предшествовало

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна" N 23 (2007)

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:

Постоянство интенсивности регистрации нейтронов за время в 5 сек. между вспышками реактора, что свидетельствовало, что нейтроны живут в трубе гораздо дольше, чем 5 секунд.
Разница в счете открытого и закрытого шторкой детектора и составляла счет УХН, поскольку для тонкой шторки только поверхностный потенциал Ферми мог влиять на пропускание ею нейтронов. Если бы этот потенциал отсутствовал, то для нашей тонкой шторки захват нейтронов в ней со скоростями УХН был бы весьма незначителен.
Введенное изменение химической структуры литиевого детекторного слоя должно привести к изменению отражающего потенциала детектора, что было подтверждено наблюдаемым изменением счета детектора.
Время "путешествия" нейтрона от реактора до детектора было оценено по зависимости скорости регистрации нейтронов детектором от давления газа гелия, который подавался в трубу-нейтроновод. Столкновения атома гелия (имеющего скорость во много раз большую, чем скорость УХН) с нейтроном приводит к ускорению нейтрона, который уже не может быть удержан отражающим потенциалом стенок трубы. Этот процесс легко рассчитывается. Время удержания УХН в трубе составило порядка 300 секунд.
Извлечение лития из детектора привело к полной потере счета, что доказывало - в эксперименте наблюдаются нейтроны, а не какие-либо заряженные частицы, на регистрацию которых, в принципе, могла повлиять тонкая шторка.

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