В этом году исполнилось 100 лет со дня рождения американского физика-экспериментатора Фредерика Райнеса (1918—1989), сумевшего сделать почти невозможное — поймать неуловимое нейтрино. Он родился в Нью-Йорке, там же закончил университет; работал в Лос-Аламосе над атомной проблемой, а потом занялся нейтрино. Поделил с Мартином Перлом Нобелевскую премию за 1995 г., о чём я писал в «Новостях науки» (ХиЖ, 1996, № 4-6); приведу часть той заметки, относящуюся к Райнесу.

Нобелевские премии за 1995 год

ФИЗИКА

С недавним открытием шестого кварка завершилось экспериментальное обнаружение 12 частиц, из которых, по современным представлениям, построена материя, — шести кварков и шести лептонов. Шестерка кварков состоит из трех аналогичных, но различающихся по массе пар частиц (дублетов). Так же устроено и семейство лептонов: первая пара содержит электрон и электронное нейтрино, вторая — мюон (который тяжелее электрона в 207 раз) и мюонное нейтрино, третья — тау-лептон (он вдвое тяжелее протона!) и соответствующее ему нейтрино. Хотя строго не доказано, что других, еще более массивных дублетов кварков и лептонов в природе нет, теоретики склоняются к тому, что приведенный список окончателен.

Большинство первооткрывателей этих кирпичиков мироздания уже отмечены ранее Нобелевским комитетом. На сей раз премию поделили охотники за двумя лептонами, а именно, за самым неуловимым — нейтрино (электронным) и самым тяжелым из этого семейства — тау. Лауреатами стали соответственно американцы Фредерик РАЙНЕС (из Калифорнийского университета в Эрвине) и Мартин ПЕРЛ (из Стэнфордского университета).

История с нейтрино началась  в  1914 году, когда Дж. Чедвик выяснил, что при радиоактивном распаде ядер (бета-распаде) рождаются электроны с непрерывным спектром энергии. По мере развития квантовой теории этот факт вошел в серьезное противоречие с ее принципами. Пытаясь разрешить его, Н. Бор даже предположил, что в микромире нарушается закон сохранения энергии, но В. Паули попыгался «спасти» этот закон, допустив в 1930 году, что  часть энергии уносит неизвестная, а главное, очень слабо взаимодействующая с веществом частица (поэтому её не наблюдают в опытах). Как сказал Паули, «я совершил то, чего физик-теоретик не должен делать: предположил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально».

Всё же через четверть века группе физиков, руководимой Ф. Райнесом и К. Коуэном (умершим в 1974 г.), удалось экспериментально обнаружить нейтрино. Залогом успеха стало появление в то время ядерных реакторов, в которых при делении ядер урана возникают свободные нейтроны, претерпевающие бета-распад, а значит, по гипотезе Паули, рождаются нейтрино. Идея была в том, что если потоком этих нейтрино облучать воду, то они могли бы взаимодействовать с протонами с образованием нейтронов и позитронов, то есть могла бы идти реакция, обратная бету-распаду. В принципе есть возможность зарегистрировать этот процесс, однако вероятность такой реакции для каждого нейтрино очень мала, поэтому требовался очень мощный поток этих частиц, который как раз обеспечивал ядерный реактор.

Эксперимент готовили пять лет. Около реактора установили массивный ящик, сквозь стенки которого могли проникать только нейтрино. В ящике разместили 400 л воды и около 5 т сцинтиллирующей, то есть светящейся при прохождении через нее гамма-квантов жидкости, — ведь при возникновении позитрона в ходе предполагаемой реакции он сразу аннигилировал бы с электроном с образованием двух гамма-квантов, которые вызвали бы свечение сцинтиллятора; его должны были фиксировать 330 фотоумножителей. А чтобы засечь также и ожидаемые нейтроны, к воде добавили кадмий, ядра которого хорошо поглощают нейтроны, что также приводит к излучению гамма-кванта.

Значит, интересующая ученых реакция должна была сопровождаться двумя вспышками, следующими друг за другом с определенной задержкой. По этому признаку ее и удалось обнаружить. Так нейтрино были косвенно выявлены, хотя многие их свойства не определены до сих пор.