Глава 4
Подземное солнце

В начале 1950-х гг. охотой на нейтрино занимались не только Фред Рейнес и Клайд Коуэн. Рэй Дэвис, студент Йельского университета, обучавшийся физической химии, «заболел» проблемой нейтрино, однажды прочитав об этих частицах в библиотеке, и с тех пор без устали их выслеживал. Дэвис вырос в столичном Вашингтоне. Вместе с братом (он был на год и два месяца младше Рэя) они играли в уличные мальчишеские игры и плескались в реке Потомак. Отец Дэвиса, работавший фотографом в Национальном бюро стандартов США, в свое время даже не окончил школу. Однако именно он привил Рэю интерес к химическим опытам и фотографии. В молодости Дэвис хорошо стрелял из винтовки и даже получал медали за меткость, хотя позже забросил этот спорт. Мать пыталась приобщить сына к музыке, но, в отличие от Рейнеса, Дэвис пел плохо. Рэй вспоминал: «Чтобы угодить маме, я несколько лет пел в хоре, несмотря на полное отсутствие музыкального слуха».

Повзрослев, Рэй Дэвис решил посвятить себя науке, а его брат избрал военную карьеру. Дэвис окончил аспирантуру по химии в Йельском университете, затем пошел в армию и в годы Второй мировой войны служил в качестве резервиста, работая наблюдателем на испытаниях химического оружия в штате Юта. В свободное время Дэвис много гулял по окрестностям и фотографировал. После войны работал в химической компании Monsanto, где занимался исследованием радиоактивных веществ, а в 1948 г. поступил на работу в только что созданную Брукхейвенскую национальную лабораторию. Эта лаборатория была выстроена вскоре после войны на месте бывшей военной базы, расположенной на острове Лонг-Айленд. Задачи лаборатории заключались в исследовании возможностей мирного применения ядерной физики. Именно в Брукхейвене Дэвис познакомился со своей будущей женой, работавшей в биологическом отделе этого учреждения. В течение следующих 15 лет у них родилось пятеро детей. Семья Дэвисов жила на побережье, Рэй с женой своими руками собрали парусную шлюпку и впоследствии всю жизнь увлекались морскими прогулками под парусом.

Прибыв в лабораторию, Дэвис первым делом поинтересовался у начальника, чем ему предстоит здесь заниматься. Спустя десятки лет он вспоминал: «К моему удивлению и восторгу, он сказал мне идти в библиотеку и самому подыскать какую-нибудь интересную тему». Там Дэвису и попалась на глаза статья о нейтрино. Прочитав ее, молодой человек понял, что науке почти ничего не известно об этой таинственной частице, несмотря на то что Вольфганг Паули, Энрико Ферми и Бруно Понтекорво уже выполнили первые работы в этой области. Проблема нейтрино открывала широчайшие перспективы для исследователей-экспериментаторов. Более всего Дэвис заинтересовался опытом Понтекорво, в котором итальянский ученый пытался использовать в качестве детектора нейтрино большой резервуар с хлорсодержащей жидкостью. Понтекорво отмечал, что при попадании нейтрино в атом хлора этот атом превратится в радиоактивный изотоп аргона. Этот изотоп распадется с выделением радиации – поэтому его будет легко обнаружить. Учитывая большой опыт Дэвиса в области радиохимических исследований, неудивительно, что он решил взяться за эту проблему. В тот день, проведенный в брукхейвенской библиотеке, Дэвис нашел свое призвание. Он упорно шел к поставленной цели всю жизнь, хотя шансы на успех были очень невелики.

В последующие годы Дэвис занимался и другими научными вопросами. В частности, он догадался измерять возраст метеоритов (и приблизительно определять их историю) по содержащимся в метеоритах радиоактивным изотопам. Вместе с коллегой Дэвис применял методы радиометрической датировки, чтобы определить, сколько времени метеорит провел в космосе до падения на Землю – соответственно, как долго он подвергался воздействию космических лучей. Когда экипаж «Аполлона» доставил на Землю образцы лунного грунта, Дэвис был в группе исследователей, которые анализировали состав этих образцов. При этом произошел интересный случай. Вот что рассказывает о нем сам Дэвис: «Когда мы занимались обработкой образцов с “Аполлона-12”, один из перчаточных боксов в Хьюстоне разгерметизировался. Так мне довелось целых две недели провести в карантине вместе с астронавтами и еще несколькими невезучими учеными – пока врачи не убедились, что мы не заразились какими-нибудь лунными инфекциями». Несмотря на участие в различных научных исследованиях, Дэвис на протяжении всей жизни ничем так не интересовался, как охотой за нейтрино.

Решив впервые попытать счастья в этой охоте, Дэвис установил 3800-литровый бак с жидким безводным моющим средством (тетрахлоридом углерода) рядом с небольшим ядерным реактором, имевшимся в самой Брукхейвенской лаборатории. Дэвис знал, что нейтрино редко взаимодействуют с материей, поэтому выждал несколько недель, надеясь, что за это время вполне может произойти парочка реакций, а затем измерил объем накопившегося аргона. Результаты были неутешительными: не удалось зафиксировать никакого дополнительного аргона, кроме того, что мог образоваться в жидкости под действием космических лучей. Всякие признаки нейтрино отсутствовали. Дэвис вновь поставил такой опыт в 1955 г., на этот раз соорудив более крупную модель аппарата и установив его рядом с более мощным ядерным реактором в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина. Кстати, именно там ставили свой эксперимент и Рейнес с Коуэном. Но опять же ничего у Дэвиса не получилось. Итак, Дэвис не смог достичь успеха при помощи метода, предложенного Понтекорво, а Рейнес и Коуэн отловили изворотливую частицу уже в следующем году, применив вместо хлорсодержащего наполнителя сцинтиллирующую жидкость и ФЭУ. Но и для Дэвиса игра была далеко не окончена. Теперь, когда Рейнес и Коуэн доказали реальность нейтрино, Дэвис решил поймать те из них, которые прилетают к нам от Солнца через толщу земных пород, а не образуются в ядерных реакторах.

Дэвис знал, что нейтрино должны быть важнейшим побочным продуктом ядерных реакций, генерирующих солнечную энергию, – ведь за несколько предыдущих десятилетий астрофизики уже достаточно полно описали, как именно устроены недра нашего светила. Первую важнейшую гипотезу, пролившую свет на механизм образования солнечной энергии, выдвинул в 1920 г. британский астроном Артур Эддингтон. Он предположил, что этот механизм может быть связан с ядерными реакциями. Один из коллег Эддингтона по Кембриджу установил, что масса атома гелия чуть меньше, чем суммарная масса четырех атомов водорода. Эддингтон полагал, что, когда в ядре Солнца четыре ядра водорода в результате ядерного синтеза образуют одно ядро гелия, небольшая масса, которая «теряется» в результате, на самом деле превращается в энергию, согласно эйнштейновскому уравнению E = mc2. Конечно, догадка Эддингтона была блестящим озарением, но он не раскрыл деталей механизма подобных реакций. Кто-то еще должен был описать такую ядерную реакцию, которая, с одной стороны, обеспечивала бы наблюдаемую яркость Солнца, а с другой – не шла слишком быстро (ведь при бурных ядерных реакциях Солнце бы давно выгорело).

Ханс Бете, разносторонний физик-теоретик, работавший в Корнеллском университете города Итака, штат Нью-Йорк, взялся исследовать механизм солнечной ядерной печи. Бете родился в 1906 г. в Страсбурге, который в тот период входил в состав Германской империи, а сейчас находится на территории Франции. Отец Бете был врачом, а мать – талантливым музыкантом, пока практически не потеряла слух, переболев гриппом. Вероятно, в результате болезни она страдала от приступов депрессии, и родители Бете в конце концов развелись. С четырех лет Ханс увлекался числами, а в возрасте четырнадцати самостоятельно освоил математический анализ. Кроме того, он рано научился грамоте и исписывал тетрадки собственными сочинениями. Правда, в детстве у Бете была странная привычка: он писал одну строку слева направо, а вторую – справа налево (именно таким письмом пользовались древние греки в VII в. до н. э.). К моменту окончания средней школы Бете уже гораздо больше интересовался физикой, чем математикой, так как математика, на его взгляд, «доказывает очевидные вещи». Проучившись два года в университете Франкфурта-на-Майне, Бете отправился в Мюнхен, где собирался продолжить образование под руководством харизматичного Арнольда Зоммерфельда (подобно Вольфгангу Паули, прибывшему в Мюнхен несколькими годами ранее).

Бете проявил исключительный талант к теоретической физике, с отличием окончив аспирантуру. Часть следующего года он провел в Риме, работая под началом Ферми, которым восхищался. В письме к своему бывшему научному руководителю Зоммерфельду Бете отмечал: «Бесспорно, величайшее чудо Рима – это Ферми. Невозможно описать, как он мгновенно находит решение для любой поставленной перед ним задачи». Ферми научил Бете быстро делать глубокие выводы из ориентировочных расчетов – такой подход к физике казался гораздо менее формалистичным, чем методы Зоммерфельда, усвоенные в Мюнхене.

Бете вернулся в Германию в 1932 г., получив место преподавателя в университете, но потерял работу год спустя, так как его мать была еврейкой, а Гитлер ввел расистские законы, не позволявшие евреям занимать государственные должности. Подобно многим другим ученым еврейского происхождения, Бете вскоре оказался в Америке, где стал профессором Корнеллского университета. Здесь он превосходно чувствовал себя в атмосфере научной взаимопомощи и продолжал исследования в области ядерной физики. В этот период Бете совершил поступок, который возмутил многих его коллег: разорвал помолвку с Хильдой Леви, с которой познакомился еще во Франкфурте. За долгие годы знакомства Ханс и Хильда стали очень близки. Причиной разрыва стали яростные претензии матери Хильды, причем скандал разразился всего за несколько дней до свадьбы. Друг Леви, великий датский физик Нильс Бор, был настолько обескуражен, что много лет избегал Бете.

В начале 1938 г. Бете и Чарльз Критчфилд, который тогда был аспирантом Университета Джорджа Вашингтона, изучали цепочку ядерных реакций, которая сегодня называется «протон-протонный цикл». Такой цикл – один из путей превращения водорода в гелий в звездных недрах, сопровождающийся высвобождением энергии. Бете и Критчфилд вычислили частоту, с которой происходят акты синтеза двух протонов, преодолевающих взаимное электрическое отталкивание. В результате образуется дейтрон – слабо связанное ядро, состоящее из протона и нейтрона. Когда один из участвующих в реакции протонов превращается в нейтрон, он испускает позитрон и нейтрино. Исследователи установили, что вскоре дейтрон захватывает еще один протон и превращается в ядро гелия-3. На заключительном этапе цикла два ядра гелия-3 сливаются в стабильное ядро гелия-4 и при этом испускают два протона. В сущности, Бете и Критчфилд открыли цепную ядерную реакцию, в ходе которой четыре протона (то есть четыре ядра водорода) превращаются в одно ядро гелия-4, излучая при этом фотоны (энергию), позитроны и нейтрино. В такой картине позитроны и электроны должны аннигилировать, с образованием высокоэнергетических гамма-лучей. Фотоны этих гамма-лучей пробьют себе путь из глубин Солнца, преодолевая слой за слоем, и через сотни тысяч лет достигнут поверхности звезды. К тому времени фотоны потеряют львиную долю своей энергии, превратившись в видимый свет. Нейтрино, в свою очередь, должны беспрепятственно ускользать с Солнца и достигать Земли примерно через восемь минут, поскольку они движутся практически со скоростью света.

Протон-протонный цикл ядерных реакций, при котором в ядре Солнца гелий превращается в водород. В ходе цикла выделяются гамма-лучи и образуются нейтрино

Однако Бете и Критчфилд располагали недостаточно точными данными о температуре в ядре Солнца. Выведенная ими оценка скорости образования частиц оказалась гораздо выше, чем фактическая «производительность» Солнца. Но в марте 1938 г. Бете, будучи на научном собрании в Вашингтоне, узнал замечательные новости: оказалось, что, по последним расчетам астрофизиков, температура в недрах Солнца должна быть гораздо ниже, чем предполагалось ранее. Бете понял, что при новой оценке температуры его расчеты гораздо лучше согласуются с наблюдениями, и решил исследовать все различные варианты превращения водорода в гелий, происходящего в глубине звезд.

Вооружившись лишь ручкой и бумагой, Бете открыл альтернативную цепную реакцию, которая сегодня называется «CNO-цикл». «CNO» – химические символы углерода, азота и кислорода. Эта реакция хорошо вписывалась в наблюдаемую картину. Позже Бете вспоминал: «Рассказывают, что я догадался об углеродном цикле, когда ехал домой из Вашингтона на поезде. Это не так. Но, вернувшись в Итаку, я действительно стал размышлять о том, как образуется энергия в массивных звездах». Не прошло и двух недель после окончания конференции в Вашингтоне, как Бете уже разработал этот цикл в деталях. Цикл начинается с атома углерода, поглощающего ряд протонов (иными словами, ядер водорода). В результате углерод превращается в азот, а азот – в кислород. Ядро кислорода, в свою очередь, испускает ядро гелия, в результате чего кислород вновь становится углеродом. Этот способ превращения водорода в гелий, сопровождающийся выделением энергии, очень изящен, причем углерод в данном случае играет роль катализатора. В ходе ядерных реакций, состоящих из CNO-циклов, также образуются нейтроны. Вся проблема заключается в том, что для устойчивого CNO-цикла требуются температуры выше 20 млн градусов. Таким образом, он описывает образование энергии в более массивных и горячих звездах, чем Солнце. Бете заключил, что сияние звезд-гигантов обусловлено CNO-циклом, а такие звезды, как Солнце, светят благодаря протонно-протонному циклу.

Если теория Бете об образовании солнечной энергии была верна, то Солнце должно было представлять собой обильный источник нейтрино. Но в статье «Источники энергии звезд» (Energy Production in Stars), опубликованной в 1939 г., Бете не упомянул, что для проверки этой теории можно было бы попытаться отловить солнечные нейтрино. В тот период нейтрино еще воспринимались как теоретический конструкт, поэтому неудивительно, что Бете предпочел о них умолчать. Даже в пророческом докладе Понтекорво от 1946 г. солнечные нейтрино упоминаются лишь вскользь. Однако возможность заглянуть в недра Солнца, изучив солнечные нейтрино, распалила любопытство Рэя Дэвиса.

На самом деле Дэвис пытался обнаружить солнечные нейтрино еще в ходе эксперимента, поставленного в Брукхейвене. Детектор, который он использовал, и близко не обладал чувствительностью, которая для этого требовалась, однако Дэвис вычислил ориентировочное максимальное количество нейтрино, ежесекундно прилетающих к нам от Солнца, и указал эти данные в своей публикации. Один физик решительно отверг предложенную Дэвисом оценку, заявив: «Не могу себе представить научную статью, автор которой описал бы такой эксперимент: физик забирается на гору, оттуда пытается дотянуться рукой до Луны. Ему это не удается, из чего физик делает вывод, что расстояние от вершины до Луны больше двух с половиной метров». Такой скепсис не смутил отважного экспериментатора. Да, первый опыт Дэвиса был очень малым шагом, но тем не менее очень важным.

Самая большая сложность, с которой столкнулся Дэвис, заключалась в следующем: большинство нейтрино, образующихся в ходе протон-протонного цикла, обладали слишком малой энергией, поэтому не могли достаточно сильно ударить атом хлора и превратить его в аргон. Таким образом, обнаружить их в эксперименте Дэвиса было невозможно. Однако Дэвис не оставлял надежды, полагая, что не все нейтрино одинаковы и некоторые должны обладать достаточной энергией, чтобы детектор на них отреагировал. В частности, он знал, что время от времени третий этап протон-протонного цикла протекает «не по правилам»: вместо столкновения двух ядер гелия-3 (с образованием гелия-4) происходит столкновение гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется бериллий-7. В свою очередь, бериллий-7 может прореагировать с протоном и стать бором-8. Изотоп бор 8 нестабилен; он распадается в бериллий-8 и при этом испускает позитрон и нейтрино. Именно такой нейтрино должен обладать достаточной энергией, чтобы его можно было зафиксировать в эксперименте Дэвиса. К радости Дэвиса, в 1958 г. физики из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне установили, что такая альтернативная реакция происходит в тысячу раз чаще, чем предполагалось ранее. Двое астрофизиков – Вилли Фаулер из Калифорнийского технологического института и Аластер Кэмерон, в тот период работавший в канадской лаборатории на реке Чок-Ривер, – осознали всю важность этого открытия для отслеживания солнечных нейтрино и предупредили Дэвиса, что его шансы на успех возросли.

Воодушевившись добрыми новостями, Дэвис в конце 1959 г. вновь решил поохотиться на солнечные нейтрино. На этот раз он установил детектор в известняковой шахте Барбетон в штате Огайо. Глубина шахты составляла более 700 м, поэтому Дэвис рассчитывал, что ему удастся избавиться от надоедливых космических лучей, которые в иных условиях перекрывали сигналы нейтрино. Первые оценки Дэвиса относительно разрешающей способности этого эксперимента были скорее оптимистическими: Дэвис полагал, что сможет ежедневно регистрировать хотя бы несколько солнечных нейтрино. Но ему предстояло испытать еще одно разочарование: проверив детектор, он не нашел никаких следов неуловимых солнечных посланцев. Вскоре после этого Дэвису довелось узнать и о другом неприятном факте. По данным ученых из лаборатории ВМС, синтез бериллия-7 был достаточно простой реакцией. Однако другие исследователи обнаружили, что следующий этап реакции – превращение бериллия-7 в бор-8 (с поглощением протона) – случается гораздо реже. Таким образом, количество высокоэнергетических солнечных нейтрино должно быть очень низким, и эксперимент Дэвиса не позволяет их зарегистрировать. В 1960 г. Фред Рейнес резюмировал ситуацию так: «Даже при опыте с огромными детекторами, содержащими тысячи или сотни тысяч галлонов [тетрахлорида углерода], вероятность успеха столь невелика, что, пожалуй, экспериментаторам стоит оставить такие попытки». Большинству физиков ситуация казалась безнадежной. Некоторые ученые, не столь упорные, как Дэвис, просто решили смириться и заняться чем-нибудь другим. Однако Дэвис решил провести более масштабный эксперимент, увеличив свою установку в 100 раз. Новый резервуар был сравним по объему с олимпийским плавательным бассейном. Соответственно, такой детектор был гораздо чувствительнее предыдущих моделей.

Тут в нашей истории появляются два новых героя – ученые, познакомившиеся по счастливой случайности. Удивительно, как часто подобные стечения обстоятельств влияют на развитие науки – вспомнить хотя бы вынужденную посадку самолета, на котором летели Рейнес и Коуэн. В истории, которую мы сейчас обсудим, редактор журнала невольно стал посредником между двумя учеными, ранее не знавшими друг друга. Одним из этих исследователей был Вилли Фаулер, приятель Дэвиса. Фаулеру удалось доказать, что протекающие в звездах ядерные реакции порождают все легкие химические элементы – от углерода до железа, – тогда как начинаются эти реакции с водорода и гелия, элементов, образовавшихся еще при Большом взрыве. Вторым героем этой истории стал блестящий молодой теоретик по имени Джон Бакал. Бакал вырос в Луизиане, отлично играл в теннис, а в старших классах был чемпионом по дебатам. В юности он планировал изучать философию и стать раввином. Проучившись год в Луизианском государственном университете, он отправился на летние курсы в Калифорнийский университет города Беркли. Бакалу там понравилось, и он остался в Калифорнии писать работу по философии на соискание степени бакалавра благодаря одному родственнику, согласившемуся покрыть расходы на обучение.

Для получения этой степени Бакал был обязан пройти курс по естествознанию. Молодой человек добился, чтобы ему разрешили выбрать физику в качестве профилирующей дисциплины, хотя в старших классах вообще не занимался естественными науками. Именно тогда Бакал открыл в себе настоящую страсть к физике. Позже он вспоминал: «Это было самое сложное, чем мне приходилось заниматься в жизни, но я запал на естественные науки. Я был восхищен самим фактом, что, немного разбираясь в физике, ты начинаешь понимать, как именно устроен мир, как садится солнце и летают самолеты, причем на каждый вопрос есть правильный ответ, с которым все согласны». Затем Бакал получил степень магистра по физике в Чикагском университете и докторскую степень в Гарварде.

В 1960 г., будучи научным сотрудником в Университете Индианы, Бакал отправил в журнал Physical Review статью о процессах бета-распада, протекающих внутри звезд. Как же он удивился, получив письмо об этой статье от Вилли Фаулера, причем еще до публикации самой статьи! Фаулер попросил редактора журнала составить для него конспект этой статьи, а в письме Бакалу предложил молодому философу перебраться на работу в Калифорнийский технологический институт. Работа Бакала так впечатлила Фаулера, что он написал о молодом теоретике и Рэю Дэвису, посоветовав связаться с Бакалом. Действительно, Дэвис написал Бакалу, попросив того помочь ему уточнить активность образования солнечных нейтрино, рассчитав темпы соответствующих ядерных реакций. Бакал с радостью согласился помочь, так между ними завязалось тесное научное сотрудничество и близкая дружба, продлившаяся более 50 лет.

Поначалу Бакал недооценил масштаб задачи, которую поставил перед ним Дэвис. Спустя несколько десятилетий в интервью журналу Nova он признавался: «Когда я оказался в Калифорнийском технологическом и попытался рассчитать, сколько нейтрино должно прилетать от Солнца, я осознал, что эта проблема несравнимо сложнее, чем мне казалось на первый взгляд, поскольку на Солнце наперегонки друг с другом идет сразу множество ядерных реакций». Более того, Бакалу предстояло определить различные характеристики солнечных недр – химический состав, температуру, плотность, давление – с максимально возможной точностью. Только после этого он мог бы предоставить Дэвису достоверную оценку количества нейтрино, образующихся на Солнце. Результаты первых вычислений Бакала были удручающими: он подсчитал, что 3800-литровый резервуар Дэвиса позволяет зарегистрировать примерно один нейтрино за 100 дней. По оценке Бакала, даже если бы Дэвису удалось соорудить детектор в 100 раз объемнее, то он мог бы ловить примерно по одной частице в день, чего явно недостаточно для надежного измерения солнечных ядерных реакций.

Но хорошие новости пришли с другого фронта. Обратив внимание на гипотезу датского физика, Бакал обнаружил, что хлор должен захватывать нейтрино в 20 раз эффективнее, чем предполагалось ранее. Планы Дэвиса получили новый сильнейший импульс. Теперь, имея реальную перспективу ловить несколько солнечных нейтрино ежедневно, Дэвис считал целесообразным и конструирование нового большого детектора. Он знал, что для защиты этого тонкого эксперимента от космических лучей установку следует расположить примерно в 1,5 км под землей.

Хотя финансирование для этого грандиозного проекта еще даже не просматривалось, в 1963 г. Дэвис стал искать подходящие глубокие шахты по всей территории США. В этом ему помогал Блэр Манхофен, коллега Дэвиса по Брукхейвенской лаборатории. Горное бюро США официально рекомендовало Дэвису рассмотреть два варианта: золотой рудник Хоумстейк в Южной Дакоте и медный рудник Анаконда в Монтане. Дэвис и Манхофен лично побывали на обеих шахтах. Владельцы рудника Анаконда очень хотели, чтобы ученые выбрали для эксперимента именно их шахту, поэтому предложили по низкой цене выполнить бетонную облицовку цилиндрической исследовательской скважины. Но Дэвис и Манхофен пришли к выводу, что сами горные породы в Анаконде не позволяют выкопать достаточно объемную полость на требуемой глубине. В Хоумстейк подготовка такой полости технически не составляла проблем, но такие работы должны были обойтись достаточно дорого. Поэтому коллеги-физики решили поискать другие варианты. Наконец, они отыскали серебряный рудник Саншайн в штате Айдахо, подходивший им и с технологической, и с бюджетной точки зрения. Итак, место было найдено, оставалось выбить деньги под эксперимент.

Это был уже очень серьезный этап. Дэвис и Бакал решили обратиться за официальным одобрением эксперимента и финансированием к директору Брукхейвенской лаборатории Морису Гольдхаберу. Гольдхабер был физиком-ядерщиком, он сомневался, что астрономы вообще способны что-то вычислить с настолько высокой точностью, чтобы это было ему интересно. Дэвис знал об этом предубеждении Гольдхабера, поэтому посоветовал Бакалу в разговоре с директором сделать акцент на ядерной физике, а не на астрофизике. Прием сработал – Гольдхабер санкционировал этот эксперимент и согласился оплатить его за счет лаборатории. Позже Бакал с воодушевлением описывал это достижение как «величайшую дипломатическую победу Рэя».

В начале 1964 г. Бакал и Дэвис сформулировали свою теорию и описали эксперимент в двух статьях. Они описали возможность использования резервуара объемом 380 000 л безводной моющей жидкости в качестве детектора солнечных нейтрино. Эти материалы привлекли самое пристальное внимание широкого научного сообщества. Понтекорво, живший в СССР, изучил эти статьи с большим интересом. Планы Бакала и Дэвиса по охоте за нейтрино освещались даже в СМИ, и такая публичность принесла неожиданную пользу: когда планы по постановке опыта на шахте Саншайн неожиданно сорвались (жаль, а ведь название было в самую точку), к ученым обратились владельцы шахты Хоумстейк, предложившие гораздо более привлекательную смету земляных работ. Производители промышленных резервуаров также гораздо сильнее заинтересовались в этом эксперименте. В послании к Бакалу, написанному в тот период, Дэвис отмечал: «Эти резервуарщики стали воспринимать нас гораздо серьезнее после выхода статьи в Time».

Извлечение горных пород на шахте Хоумстейк началось весной 1965 г. и заняло около двух месяцев. Когда Дэвис и Блэр Манхофен спустились на 1,5-километровую глубину, чтобы лично осмотреть получившуюся гигантскую полость, они остались очень довольны. Дэвис обратился в Chicago Bridge and Iron Company, которая ранее занималась изготовлением герметичных космических отсеков для NASA, и заказал им резервуар для эксперимента. Компания справилась с работой за год. Резервуар как следует вычистили и крепко запечатали, чтобы не допустить попадания атмосферного аргона в жидкость и таким образом избежать загрязнения. Позже Дэвис и Бакал узнали, что компания «не заинтересовалась бы изготовлением такого небольшого, достаточно незамысловатого бака, какой требовался для нейтринного эксперимента, но ее привлекли цели эксперимента как таковые, а также необычное место для установки резервуара». Далее на шахту из Канзаса прибыл состав из 10 железнодорожных цистерн с безводным моющим средством. Ученые доставляли жидкость вниз к резервуару в специально изготовленных для этого контейнерах, воспользовавшись проложенной в шахте узкоколейкой и подъемником. На последнем этапе подготовки эксперимента потребовалось удалить из жидкости весь растворенный в ней воздух, чтобы избавиться от малейших следов аргона.

К осени 1966 г. все было готово к началу эксперимента. Итоговая цена проекта составила $600 000, как выразился Дэвис, «по стоимости – как 10 минут эфирного времени на коммерческом телеканале». Тем временем Бакал продолжал уточнять свои оценки, высчитывая, сколько примерно нейтрино Дэвис сможет обнаружить при помощи нового аппарата. По самым оптимистичным оценкам Бакала, нейтрино, взаимодействующие с атомами хлора в жидкости, должны порождать несколько десятков атомов аргона в месяц.

Дэвис был уверен, что практически все эти атомы удастся выудить. Он был не склонен делать громкие заявления, скромно сравнивая себя с «сантехником», имея в виду, что вся необходимая работа для решения важнейшей задачи захвата солнечных нейтрино сводится к прозаической постройке и эксплуатации большого бака и опутывающих его труб. Правда, требовалось с максимальной тщательностью избегать даже малейшей разгерметизации. Но Бакал описывал ситуацию так: «Сам не будучи химиком, я был просто поражен масштабами этого проекта и тем, насколько филигранно мы подходили к его реализации… Он сможет найти в этом баке несколько атомов [радиоактивного аргона] и извлечь их оттуда, и в таком случае мы будем уверены, что они возникли под действием солнечных нейтрино. Поневоле задумаешься, так ли сложно найти иголку в стоге сена».

Сборка резервуара, который был использован Рэем Дэвисом в эксперименте по регистрации солнечных нейтрино в золотом руднике Хоумстейк

(Brookhaven National Laboratory)

На самом деле, чтобы получить свой улов, Дэвису предстояло выполнить работу, состоявшую из сложнейших этапов. Сначала требовалось ждать несколько недель, пока от контакта с нейтрино несколько атомов хлора превратятся в аргон. Затем резервуар следовало под напором продуть гелием, который увлекал за собой аргон в охлажденный уловитель с абсорбентом из древесного угля. При очень низкой температуре аргон конденсировался в этом уловителе, отделяясь от гелия. Затем Дэвис подогревал уловитель, чтобы аргон выделился в газообразном виде, собирал его и химически очищал, чтобы избавиться от следов каких-либо других радиоактивных элементов. Конечный образец, сравнимый по размеру с кубиком рафинада, содержал обычный аргон, а также несколько атомов аргона-37, образовавшихся в результате попадания нейтрино в атомы хлора. При помощи счетчика Гейгера Дэвис определял количество атомов радиоактивного аргона, которое соответствовало количеству высокоэнергетических нейтрино, прилетевших с Солнца. Действительно, добыча всего нескольких особенных атомов из резервуара, в котором насчитывалось около миллиона триллионов триллионов (1030) атомов, была потрясающим достижением.

Проведя на руднике Хоумстейк около двух лет за сбором данных, Дэвис обнародовал первые результаты своих исследований на конференции, состоявшейся в Калифорнийском технологическом институте в 1968 г. Он объявил, что в ходе эксперимента удалось зарегистрировать солнечные нейтрино, но всего треть от того количества, которое ориентировочно вывел при своих расчетах Бакал. Сам факт, что кому-то удалось обнаружить солнечные нейтрино (фактически – впервые заглянуть в сердце звезды), уже был примечательным достижением. Но все газеты наперебой сообщали не об этом, а об исключительном несоответствии между теорией и наблюдениями.

Бакал опасался, что результаты Дэвиса фактически могут опровергнуть его (Бакала) солнечную модель. На конференции в Калифорнийском технологическом молодой теоретик был так печален, что легендарный физик Ричард Фейнман (через три года получивший часть Нобелевской премии за работы в области квантовой электродинамики) предложил вместе выйти и немного проветриться. Пока двое ученых гуляли по кампусу, между ними завязался разговор. Бакал вспоминает, что Фейнман, наконец, попытался его подбодрить: «Понимаете, я ведь вижу, что эта лекция вас удручила; так вот, просто хотел сказать – поверьте, вы напрасно расстраиваетесь. Все мы слышали, что вам удалось сделать, никто не усмотрел никаких ошибок в ваших вычислениях. Не знаю, почему результаты Дэвиса с ними не согласуются, но в любом случае не падайте духом. Может быть, вы совершили что-то очень важное, мы просто еще не знаем этого наверняка». Дружелюбие Фейнмана и ободряющие слова глубоко тронули Бакала и помогли ему собраться с духом.

Такое несоответствие между теорией и практическими результатами заставляло задуматься не только о модели Бакала, но и о надежности эксперимента Дэвиса. Многие ученые сомневались, что Дэвису вообще удалось поймать солнечные нейтрино. Они указывали, что в резервуар вполне мог проникнуть атмосферный воздух и загрязнить жидкость детектора – не этим ли объясняется наличие «лишнего» аргона? Кроме того, действительно ли метод Дэвиса позволял извлечь считаные атомы аргона из такого огромного объема жидкости? Вилли Фаулер предложил Дэвису ответить на эту критику, продемонстрировав действенность описываемого метода: впрыснуть в жидкость 500 атомов радиоактивного аргона, как следует ее перемешать, а потом извлечь эти атомы обратно. Дэвис принял вызов и с легкостью выудил из резервуара весь радиоактивный аргон, до последнего атома.

Результаты проверки убедили некоторых скептиков, что экспериментальные приемы Дэвиса действительно работают. Вероятно, директор Брукхейвенской лаборатории Гольдхабер с самого начала был прав: астрофизики не вполне понимали, о чем идет речь. Другие скептики интересовались, не может ли этот результат объясняться чисто статистическими совпадениями. Ведь известно, что если несколько раз бросить монетку, то она с определенной вероятностью упадет орлом или решкой. Чтобы развеять подобные сомнения и повысить надежность эксперимента, Дэвис принялся дорабатывать детектор, чтобы аппарат лучше отличал истинные попадания нейтрино от фоновых помех. Бакал усовершенствовал свою солнечную модель, повторив вычисления с учетом новых данных о скорости протекания соответствующих ядерных реакций. К сожалению, ни все эти доработки, ни годы работы, потраченные на сбор новых данных, не устранили основной проблемы: слишком большой разницы между теоретическими прогнозами и наблюдениями.

Несмотря на добросовестную работу Дэвиса и Бакала, к началу 1970-х стало понятно, что до решения «проблемы солнечных нейтрино» еще очень далеко. Такая ситуация вынуждала многих ученых предлагать все новые решения этой задачи – от разумных до самых нелепых. Некоторые специалисты предлагали откорректировать стандартную солнечную модель – уточнить содержание тяжелых элементов в нашей звезде, скорость вращения солнечного ядра, учесть влияние магнитного поля. Австралийский математик Эндрю Прентис выступил с еще более радикальным, если не сказать ужасающим предложением: он выдвинул гипотезу, что Солнце уже выгорело и от него осталось лишь гелиевое ядро. Поскольку фотоны, образующиеся в солнечном ядре, достигают Земли спустя несколько десятков тысяч лет после своего возникновения, факт выгорания Солнца станет очевиден для нас лишь спустя некоторое время. Британский астрофизик Фред Хойл, известный своими внесистемными взглядами, предположил, что солнечное ядро состоит в основном из тяжелых элементов, которые окружены водородной оболочкой. Еще некоторые теоретики высказывали мнение, что в центре Солнца может находиться черная дыра, а энергия Солнца образуется совсем не в процессе ядерного синтеза, а под действием утекания материи в эту черную дыру, которая, в свою очередь, подпитывает Солнце. Наконец, некоторые ученые полагали, что все несоответствия связаны с тем, что мы просто ошибочно представляем себе свойства нейтрино. Сам Бакал размышлял, не являются ли нейтрино нестабильными и не распадаются ли они на другие частицы. Понтекорво и его советские коллеги отстаивали точку зрения, что нейтрино могут существовать в виде нескольких сортов, причем на пути от Солнца переходить из одного сорта в другой. Они считали, что детектор Дэвиса регистрирует нейтрино только одного типа – этим и может объясняться немногочисленность отловленных частиц.

К началу 1980-х эксперимент на руднике Хоумстейк уже исчерпал кредит доверия в умах большинства физиков. Результаты, полученные Дэвисом, больше не обсуждались. Было очевидно, что он проделал титаническую работу, чтобы понять и максимально усовершенствовать свой аппарат, но досадные расхождения никуда не исчезли. Бакал и Дэвис писали: «Нам казалось удивительным и, пожалуй, более чем удручающим, что с момента выхода наших [первых] статей на эту тему [вышедших в 1968 г.] мы не наблюдаем никаких существенных изменений в наблюдениях, а также не можем доработать стандартную теорию, несмотря на 12-летний труд и постоянную перепроверку деталей, которые мы всеми силами пытались уточнить». Тем не менее на тот момент только Дэвису удалось поймать этих призрачных солнечных посланцев, а кроме него почти никто не горел желанием углубляться в исследование проблемы, которая, казалось бы, зашла в тупик. Наиболее точно ситуацию резюмировал Бакал: «Все специалисты, систематически занимающиеся исследованием солнечных нейтрино, – как теоретики, так и практики – могли свободно разместиться на переднем сиденье машины Рэя – и часто так и делали». Несоответствие между теоретическими прогнозами и количеством наблюдаемых солнечных нейтрино сохранялось, позже эта проблема была охарактеризована в газете The New York Times как «одна из самых удручающих неудач науки XX в.».

Большинство ученых возлагали вину за такое несоответствие на астрономов. Считалось, что проблема заключается в бакаловской модели солнечных недр. Но к концу 1980-х Бакал нашел новый повод для оптимизма. Зарождалась научная дисциплина – геосейсмология. Первые исследования в этой области были посвящены изучению вибрации Солнца, и они хорошо коррелировали с теоретическими прогнозами модели Бакала. Он, в свою очередь, почувствовал себя оправданным и объявил, что теперь очередь астрономов праздновать победу. Данные геосейсмологии свидетельствовали о корректности теоретической модели, а значит, корень проблемы с дефицитом наблюдаемых нейтрино заключался в чем-то другом. Многие физики критиковали этот вывод. Докладчик, подводивший итоги одной научной конференции, просто высмеял Бакала, продемонстрировав слайды с едкими карикатурами. Присутствовавший при этом Джон вспоминал: «Он заставил всю аудиторию, включая меня, смеяться над бравадой и гордыней того парня, который не постеснялся рассуждать о физике частиц, опираясь на свою мудреную солнечную модель». После такого прилюдного унижения Бакал стал гораздо осторожнее делиться своими выводами.

Тем временем в середине 1980-х на другом конце света разворачивался новый эксперимент, связанный с охотой на солнечные нейтрино. Работы велись в шахте Камиока, расположенной примерно в 150 км к западу от Токио. Установленный там детектор изначально проектировался для другой цели: он был призван проверить, могут ли распадаться протоны, поэтому эксперимент получил название Kamiokande. В данном эксперименте были воплощены идеи ученого по имени Масатоси Косиба, вернувшегося на родину после нескольких лет работы в США. Косиба с коллегами хотел проверить основной теоретический прогноз так называемых «теорий большого объединения».

Эти теории, называемые в обиходе аббревиатурой ТБО, были призваны выстроить единый контекст для описания трех из четырех фундаментальных взаимодействий, существующих в природе. Теоретики предполагали, что, хотя в современной Вселенной электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие значительно отличаются друг от друга, непосредственно после Большого взрыва все они действовали как единая однородная сила. Если допустить, что такие теории верны, то в соответствии с подобной картиной мира протоны должны спонтанно распадаться на более легкие элементарные частицы, но такой «период полураспада» протона должен быть крайне велик. Косиба сознавал, что даже если среднее время жизни протона значительно превышает возраст Вселенной, то каждый год он все равно смог бы фиксировать несколько актов распада – при условии, что удастся отслеживать состояние колоссального количества протонов. Поэтому он убедил коллег сконструировать детектор Kamiokande. Эта установка представляла собой резервуар, содержащий 3000 т чистой воды. В стенках изнутри резервуара встроены тысячи ФЭУ. Правда, этот детектор не дал никаких доказательств в пользу распада протонов.

Но исследователи вскоре пришли к выводу, что выстроенный ими агрегат вполне можно использовать для регистрации солнечных нейтрино. Заручившись помощью американских коллег, они модифицировали и усовершенствовали свой эксперимент, чтобы детектор реагировал и на солнечные нейтрино. Эксперимент Kamiokande по обнаружению таких нейтрино функционально значительно отличался от исследования, проводившегося в шахте Хоумстейк. Во-первых, для регистрации частиц использовалась вода, а не безводная моющая жидкость. Время от времени солнечный нейтрино сталкивается с электроном в молекуле воды и выбивает его с орбиты, как один бильярдный шар – другой. Этот быстрый электрон оставляет своеобразный след, напоминающий по форме конус света. Такое бледно-голубое свечение получило название «излучение Черенкова», в честь советского физика Павла Алексеевича Черенкова, исследовавшего этот феномен. ФЭУ, усеивающие стенки резервуара с внутренней стороны, способны зарегистрировать любую световую вспышку, а значит – взаимодействие электрона и нейтрино. Эксперимент Kamiokande помогал ответить и еще на два вопроса. По направлению светового конуса исследователи могли судить, откуда пришел нейтрино, а по интенсивности – определять энергию этого нейтрино. Важнейший из недостатков установки Kamiokande был таким же, как и в эксперименте Хоумстейк: установка позволяла зарегистрировать лишь сравнительно высокоэнергетические нейтрино. Другой недостаток заключался в том, что ФЭУ улавливали не только столкновения нейтрино и электронов, но и иные сигналы – например, вызываемые космическими лучами. Но исследователи нашли способ отличать события с участием нейтрино от прочих сигналов (помех) по очертаниям светового конуса.

Отчет о первых итогах охоты на нейтрино в рамках эксперимента Kamiokande вышел летом 1989 г. Независимые результаты, полученные японскими учеными, воодушевили Рэя Дэвиса: эксперимент Kamiokande не только подтвердил, что часть нейтрино попадает на Землю с Солнца, но и выявил дефицит количества частиц в полном соответствии с прогнозами Бакала – точно такой, какой наблюдался и в эксперименте Хоумстейк. Более того, в течение нескольких следующих лет исследователи из Камиоки также подтвердили, что и энергетический спектр улавливаемых нейтрино согласуется с расчетами Бакала. Оставалось признать, что Дэвис и Бакал с самого начала были правы и явный дефицит наблюдаемых солнечных нейтрино – реальность. Что же это означало? Бакал, испытавший огромное облегчение, узнав о результатах эксперимента Kamiokande, так ответил на этот вопрос: «Я почувствовал: ага, вот мы и исключили вероятность того, что экспериментальные результаты в чем-то ошибочны. Я полностью уверился, что моя теория верна. Показалось, что наконец-то у нас началась светлая полоса». Выяснилось, что дефицит нейтрино открывает путь к новой физике – впрочем, отнюдь не новой, по крайней мере для Бруно Понтекорво, указавшего этот путь еще несколькими десятилетиями ранее.