Фредерік Райнес не просто виявив частинку. Він довів її існування у той час, як увесь науковий світ ще сперечався про те, чи можна її взагалі побачити. Народившись у Патерсоні, штат Нью-Джерсі, в 1918 році, Райнес присвятив життя гонитві за привидами в атомній субструктурі. Його нагорода? Нобелівська премія з фізики 1995 року. Він розділив цю честь з Мартіном Льюїсом Перлом, який відкрив тау-лептон, але премія Райнеса була чимось слизьким: за нейтрино.
Ця крихітна лептонна частка має майже нульову масу. Нульовий заряд. Вона проходить крізь матерію так само, як світло крізь скло. Для її виявлення знадобилося не просто гарне обладнання. Потрібна була особлива стійкість.
Від випробувань бомб до полювання на частинки
Шлях Райнеса до відкриття був лінійним. Він навчався в Технологічному інституті Стівенса та Нью-Йоркському університеті, отримавши ступінь доктора філософії у 1944 році. Потім почалася війна. Він приєднався до Національної лабораторії Лос-Аламосу, де працював над ядерною зброєю до 1959 року. У 1951 році він навіть керував експериментами з випробувань ядерної зброї на Маршаллових островах.
Це звучить як дивне відхилення від курсу для фізика-ядерника. Але щоб зрозуміти силу атома, потрібно було зрозуміти його найменші складові. Райнес непросто створював бомби. Він вчився вимірювати незмірне.
Привид, який не хотів залишатися прихованим
Нейтрино було нової ідеєю. Вольфганг Паулі запропонував її в 1930-х роках, щоб пояснити енергію, що бракує, при радіоактивному розпаді. Енріко Фермі пізніше дав їй назву. Але виявити її? То була вже інша історія. Частка так слабо взаємодіє з матерією, що зазвичай прослизає через детектори без сліду.
Райнес та його колега Клайд Л. Коуан-молодший вирішили перестати ворожити. Їм потрібен був доказ.
Спочатку вони розпочали експерименти на заводі Hanford Engineer Works у штаті Вашингтон. Потім вони переїхали до лабораторії на річці Саванна у Південній Кароліні. Їх установка була простою за задумом, але складною у виконанні. Вони помістили величезний бак із водою, змішаною із хлоридом кадмію, поруч із ядерним реактором. Чому реактор? Тому що реактори випускають нейтрино трильйонами.
Подвійний спалах
Експеримент спирався на рідкісну подію. Нейтрино стикалося із протоном у воді. Це зіткнення відбувалося одночасно у двох аспектах.
По-перше, воно створювало позитрон та нейтрон. Позитрон швидко проходив через воду, сповільнювався, а потім стикався з електроном. Це зіткнення знищувало обидві частки, вивільняючи фотони. Ці спалахи реєструвалися сцинтиляційними детекторами.
Через мікросекунди нейтрон сповільнювався та поглинався ядром кадмію. Ця друга взаємодія вивільняла свій власний набір фотонів.
Ось у чому ключ. Ви бачили перший спалах. Потім, через секунду, ви бачили другу.
Роздільна реєстрація двох ударів, отже, надала доказ існування нейтрино.
Цей другий сигнал став незаперечним доказом. Він підтвердив, що взаємодія була фоновим шумом. Воно було реальним. Нейтрино там було.
Нове вікно у Всесвіт
Райнес не зупинився на одному успішному експерименті. Він зрозумів, що нейтрино може відкрити новий спосіб вивчення космосу. Якщо нейтрино можуть проходити крізь зірки та планети, не блокуючись ними, вони можуть нести інформацію від найбурхливіших подій у Всесвіті прямо на Землю.
У 1959 році він перейшов до Технологічного інституту Кейза, а потім до Каліфорнійського університету в Ірвайні, де викладав до виходу на пенсію у 1988 році. Він допоміг закласти основи нейтринної астрономії, побудувавши детектори глибоко під землею, щоб захистити їхню відмінність від космічних променів.
Паулі та Фермі представили нейтрино. Райнес та Коуан зробили його реальністю.
Нейтрино, як і раніше, важко спіймати. Воно, як і раніше, майже невидимо.
