От ньютония до нейтрино: как дважды открыли самую неуловимую частицу Вселенной

В истории немало случаев, когда великое открытие совершается задолго до того, как для него находятся подходящие слова и инструменты. Именно это произошло с самой загадочной из элементарных частиц — нейтрино.

Пределы Периодической системы

В 1902 году Дмитрий Менделеев написал статью «Попытка химического понимания мирового эфира». Мировой эфир в тексте упоминался лишь несколько раз. Подлинный смысл работы заключался в другом: Менделеев стремился расширить Периодическую систему элементов в сторону абсолютного начала, в область до водорода. К этому времени в таблице уже появилась нулевая группа элементов — благородные газы аргон, гелий и их аналоги. Но Менделеев пошел дальше: в левый верхний угол таблицы он поместил два гипотетических элемента, предложив для них названия «ньютоний» и «короний».

Свет, озадачивший астрономов

Почему «короний»? Загадочное свечение, солнечную корону, астрономы обнаружили незадолго до описываемого события. Странные спектральные линии в диапазоне ниже водородных порождали уверенность, что обнаружен новый элемент — более легкий, чем водород. Менделеев, проанализировав химические свойства пограничных элементов, пришел к выводу о существовании инертного газа с плотностью 0,2 относительно водорода и атомной массой примерно вполовину меньше.

Положение «корония» в ряду до водорода означало нулевой заряд. И здесь можно увидеть предвосхищение нейтрона в современном понимании. Действительно, нейтронный газ инертен к химическим реакциям, хотя и по причинам, не имеющим отношения к химии. Разумеется, Менделеев ничего подобного в виду не имел. С солнечной короной разобрались позже (свечение вызывает высокоионизированное железо), и о «коронии» забыли.

Сколько весит призрак

Настоящее чудо таилось в «ньютонии» — легчайшем из гипотетических элементов. Привлекая имевшиеся в его время данные о Вселенной, массах звезд и гравитации, Менделеев определил, что масса атома легчайшего элементарного газа, «могущего наполнять Вселенную», должна составлять от 10⁻⁶ до 5·10⁻⁸ массы атома водорода. В энергетических единицах это 0,01–1000 электронвольт.

Современное экспериментальное значение верхней границы массы нейтрино, полученное коллаборацией KATRIN, составляет 0,17–18 электронвольт — и это значение совпадает с диапазоном, предсказанным Менделеевым более 120 лет назад. Более того, плотность реликтовых нейтрино — тех, что родились в первые секунды после Большого взрыва, — оценивается в 330 частиц на 1 см³. Оказывается, если не считать темную материю и темную энергию, Вселенная на три четверти заполнена «ньютонием» Менделеева.

Словно предчувствуя грядущие открытия, Менделеев написал: «Если в них [подобных мыслях] есть хоть часть природной правды, которую мы все ищем, попытка моя не напрасна, ее разработают, дополнят и поправят». Действительно, и разработали, и дополнили. Ушло на это без малого 30 лет.

Рождение нейтрино

Проблема непрерывного спектра электронов бета-распада, обнаруженная Антуаном Анри Беккерелем в 1900 году и подтвержденная калориметрическим опытом Чарльза Эллиса и Уильяма Вустера в 1927-м, поставила физиков перед мучительным выбором: либо фундаментальный закон сохранения энергии нарушается в ядерных процессах, либо при бета-распаде рождается еще одна, невидимая, частица, уносящая энергию.

Вольфганг Паули в своем знаменитом письме участникам семинара по радиоактивности в Тюбингене 4 декабря 1930 года рассказал о гипотезе существования такой частицы как об «отчаянной попытке» объяснить, куда девается энергия.

В 1933 году Энрико Ферми сформулировал теорию бета-распада, включившую частицу Паули, и дал ей название «нейтрино». Теория прекрасно описывала все известные закономерности распада. «Ньютоний» обрел новую жизнь — почти безмассовая частица, не взаимодействующая с веществом. На это удивительное сходство еще в 1933 году обратил внимание Фредерик Жолио-Кюри. Но существование нейтрино оставалось недоказанным.

Первое свидание с невидимкой

В 1935 году в лаборатории Резерфорда Александр Лейпунский, в то время директор Харьковского физико-технического института, находившийся в командировке в Кембридже, поставил эксперимент. Вместо того чтобы ловить нейтрино напрямую, он решил обнаружить его по косвенным признакам — ядерной отдаче.

Лейпунский взял углерод-11, образующийся при взаимодействии ускоренных дейтонов с бором-10 на ускорителе Кокрофта. Замысел изящный: если при бета-распаде вместе с позитроном испускается нейтрино, то дочернее ядро бора-11 должно испытывать дополнительную отдачу, особенно заметную на краю спектра энергий позитронов, где позитрон уносит минимальную энергию, а нейтрино — максимальную.

Наработанный на ускорителе радиоуглерод адсорбировался в виде тончайшей пленки на охлажденном жидким воздухом донышке стакана. Ядра отдачи покидали этот слой и попадали под действие задерживающего электрического потенциала, приложенного к специальной сетке — происходила сепарация ионов по энергии. Преодолевшие барьер ионы ускорялись и выбивали электроны из металлического зеркала, электроны регистрировал счетчик Гейгера.

Результат оказался блестящим. Даже для самых низкоэнергетических позитронов отдача ядер бора была наблюдаемо велика. Это могло объясняться только одним: эмиссией третьей частицы, уносящей импульс. Лейпунский подчеркнул ключевое преимущество своего метода: вероятность взаимодействия нейтрино с ядром отдачи в момент рождения равна единице, ведь они возникают в одном акте распада. Не нужно ловить неуловимое — достаточно увидеть последствия его появления на свет. Так Лейпунский первым достоверно показал реальность «ньютония», или частицы Паули, или нейтрино Ферми.

Связь времен

Эта история имеет и практическое измерение. Нейтрино уносит до 5% энергии ядерного реактора и половину остаточного энерговыделения после его остановки. Благодаря этой «потере» системы безопасности реакторов проще, чем могли бы быть. Развитие методов регистрации антинейтрино в последние десятилетия позволило создать системы дистанционного контроля ядерных установок, что особенно важно в контексте нераспространения.

В финале статьи о «ньютонии» Менделеев выразил надежду, что его мысли «разработают, дополнят и поправят». Лейпунский, один из создателей реакторов на быстрых нейтронах, в каком-то смысле так и сделал, хотя исходил из совершенно иных предпосылок.

Двое русских ученых, разделенные тремя десятилетиями и принадлежащие разным научным эпохам, оказались звеньями цепи познания природы. Химическая интуиция одного и экспериментальный талант другого привели к доказательству существования самой неуловимой частицы во Вселенной.