Под шапкой-невидимкой

В одну из последних ночей 1846 года немецкий астроном Иоганн Галле нашел в заранее указанной математиком Урбаном Леверье точке неба новую планету. Ее назвали Нептун. Это был триумф классической физики.

"Физика в наши дни, - писал в 1956 году американский ученый Филипп Моррисон, - ждет другого подобного открытия. Существует свой Нептун среди ее элементарных частиц - удивительная частица, упоминаемая физиками в любом обзоре, хотя до сих пор она еще не была открыта".

Какая же еще частица понадобилась физикам? И для чего она им была нужна?

После обнаружения нейтрона, протона и электрона казалось, что извечный вопрос о строении материи наконец решен. И вопрос этот можно было снять с повестки дня, если бы не возникло одно маленькое, но очень серьезное затруднение.

Нетрудно рассчитать энергию пули, вылетающей из ствола винтовки, - она всегда постоянна. Пуля при взрыве пороха в патроне уносит с собой определенную энергию заряда.

Нетрудно рассчитать энергию электрона, вылетающего из радиоактивного ядра. Энергия, освобождающаяся при распаде, как считали сорок лет назад, делится только между электронами и самим ядром. И делится всегда по строгому закону механики - обратно пропорционально их массам.

Но когда физики измерили энергию электронов, то растерялись. Такой картины никто не ожидал: электроны уносили из ядра меньше энергии, чем причиталось на их долю. Мало того, каждый раз количество этой энергии было разное.

Первой, как всегда, была мысль, что произошла ошибка. Ученые лихорадочно искали ее в собственных опытах. Для опровержения странных результатов ставились все новые и новые эксперименты. Но никакие ухищрения не помогали. Опыты упорно подтверждали, что часть энергии словно проваливается под землю.

Так родилась на свет нашумевшая история о "пропаже" энергии при бета-распаде ядер.

И вот тогда у некоторых физиков зародилась крамольная мысль: а может быть, в некоторых ядерных процессах закон сохранения энергии не выполняется? Мысль была настолько кощунственной, что ее прогоняли, о ней старались забыть.

Ученые были в замешательстве. И лишь один из них, швейцарец Вольфганг Паули, нашел удачный выход из затруднения и тем самым ликвидировал угрозу, нависшую над законом сохранения энергии.

В декабре 1930 года он отправил письмо на научный семинар в Тюбинген, заканчивающееся словами: "...не рискнув, не выиграешь; необходимо поэтому серьезно обсудить любой путь к спасению. Итак, мои дорогие радиоактивные дамы и господа, проверяйте и судите".

Паули предположил, что существует еще одна, не открытая еще частица, которая вылетает вместе с электроном при бета-распаде ядер. И между тремя участниками этого события - электроном, ядром и неизвестной частицей - энергия делится уже произвольным образом, точно так же как энергия пороха произвольно распределяется между дробинками, вылетающими из ружья.

И все сразу стало на свои места. Если электрон вылетал с меньшей энергией, то другую, недостающую часть энергии уносила с собой таинственная незнакомка.

Гипотезу Паули признали далеко не все. И начали тогда физики судить да рядить. С одной стороны, трудно было отказаться от фундаментального закона сохранения энергии. С другой стороны - волей-неволей приходилось вносить еще одну, да еще такую необычную, частицу в целиком и полностью укомплектованный атом.

Судите сами. Другие частицы как частицы. Их можно зарегистрировать в счетчике Гейгера, они оставляют следы в камере Вильсона. А нейтроны или гамма-кванты выдают свое присутствие, толкая протоны или выбивая из атомов электроны.

Но таинственная частица никак не давалась экспериментаторам. А Паули, словно подсмеиваясь над ними, уже заготовил "удостоверение", где значились основные приметы незнакомки: легкая, с массой, почти равной нулю, без электрического заряда - нейтральная.

Так это же "паспортные" данные нейтрино! "Что-то маленькое и нейтральное" - так переводится его название с итальянского на русский.

Прорезая массу плотного вещества, нейтрон проделывает путь в несколько метров, не задев ни одного ядра. Много? Конечно. Но не по сравнению с нейтрино. Эта пронырливая частичка летит сквозь толщу плотного вещества до первого столкновения миллиарды лет со световой скоростью.

Фантастическая проникающая способность! В ней-то и заключена главная тайна нейтрино.

В жизни мы сталкиваемся с двумя типами взаимодействия. Одно из них - гравитационное притяжение. О нем мы узнаем еще в раннем детстве, потирая ушибленные при падении колени и лбы. Но сила тяготения не только швыряет нас на землю. Она же удерживает нас на Земле, цепко держит Луну около Земли, планеты около Солнца. Другое взаимодействие - электромагнитное.

С новым, с так называемым сильным взаимодействием мы познакомились на примере ядерных сил, которые удерживают в ядре протоны и нейтроны. На малых расстояниях они в тысячу раз сильнее электромагнитных сил.

А нейтрино открыл для нас еще один вид взаимодействия - слабое. Все другие элементарные частицы могут общаться между собой разными способами. Нейтрино же природа обделила, не предоставив ему такого выбора. Его удел - одно только слабое взаимодействие.

Очень слабое - в сотни миллиардов раз слабее электромагнитного, взаимодействие это делало нейтрино необыкновенно "необщительным". В течение четверти века экспериментаторам не удавалось обнаружить эту необычную частицу. Неуловимое нейтрино проскальзывало сквозь приборы, как крошечный малек сквозь сети с крупной ячеей.

А значение этой частицы по мере понимания роли слабых взаимодействий все возрастало. Уже было ясно, что нейтрино возникают во время ядерных реакций на Солнце и на далеких звездах. Нейтрино вездесущи. Каждый квадратный сантиметр Земли ежесекундно пронизывают миллиарды нейтрино. Поистине мы живем в бездонном нейтринном океане.

Незадолго до открытия нейтрино один из участников этого эксперимента преподнес своим коллегам новогодний подарок. Под праздничной оберткой находилась раскрашенная спичечная коробка с подписью: "Заведомо содержит, по крайней мере, 100 нейтрино".

Физики смогли обнаружить маленького невидимку, только создав ядерные реакторы - мощные источники нейтрино. Всего лишь одна частица из 10²⁰, проходивших через прибор, застревала в нем. Но поток нейтрино был так велик, что и этой мизерной доли оказалось достаточно для ее обнаружения.

Так в 1956 году Ф. Райнес и К. Коуэн из Лос-Аламосской лаборатории уничтожили таинственный ореол вокруг нейтрино.