Фредерик Райнес не просто обнаружил частицу. Он доказал её существование в то время, как весь научный мир ещё спорил о том, можно ли её вообще увидеть. Родившись в Патерсоне, штат Нью-Джерси, в 1918 году, Райнес посвятил жизнь погоне за призраками в атомной субструктуре. Его награда? Нобелевская премия по физике 1995 года. Он разделил эту честь с Мартином Льюисом Перлом, открывшим тау-лептон, но премия Райнеса была за нечто гораздо более скользкое: за нейтрино.
Эта крошечная лептонная частица имеет почти нулевую массу. Нулевой заряд. Она проходит сквозь материю так же, как свет сквозь стекло. Для её обнаружения потребовалось не просто хорошее оборудование. Потребовалась особая стойкость.
От испытаний бомб к охоте на частицы
Путь Райнеса к открытию не был линейным. Он учился в Технологическом институте Стивенса и Нью-Йоркском университете, получив степень доктора философии в 1944 году. Затем началась война. Он присоединился к Национальной лаборатории Лос-Аламоса, где работал над ядерным оружием до 1959 года. В 1951 году он даже руководил экспериментами по испытаниям ядерного оружия на Маршалловых островах.
Это звучит как странное отклонение от курса для физика-ядерщика. Но чтобы понять силу атома, нужно было понять его самые маленькие составляющие. Райнес не просто создавал бомбы. Он учился измерять неизмеримое.
Призрак, который не хотел оставаться скрытым
Нейтрино не было новой идеей. Вольфганг Паули предложил её в 1930-х годах, чтобы объяснить недостающую энергию при радиоактивном распаде. Энрико Ферми позже дал ей название. Но обнаружить её? Это была уже другая история. Частица так слабо взаимодействует с материей, что обычно проскальзывает через детекторы без следа.
Райнес и его коллега Клайд Л. Коуан-младший решили перестать гадать. Им нужно было доказательство.
Сначала они начали эксперименты на заводе Hanford Engineer Works в штате Вашингтон. Затем они переехали в лаборатории на реке Саванна в Южной Каролине. Их установка была простой по замыслу, но сложной в исполнении. Они поместили огромный бак с водой, смешанной с хлоридом кадмия, рядом с ядерным реактором. Почему реактор? Потому что реакторы испускают нейтрино триллионами.
Двойная вспышка
Эксперимент опирался на редкое событие. Нейтрино сталкивалось с протоном в воде. Это столкновение происходило одновременно в двух аспектах.
Во-первых, оно создавало позитрон и нейтрон. Позитрон быстро проходил через воду, замедлялся, а затем сталкивался с электроном. Это столкновение уничтожало обе частицы, высвобождая фотоны. Эти вспышки регистрировались сцинтилляционными детекторами.
Через микросекунды нейтрон замедлялся и поглощался ядром кадмия. Это второе взаимодействие высвобождало свой собственный набор фотонов.
Вот в чём ключ. Вы видели первую вспышку. Затем, через долю секунды, вы видели вторую.
Раздельная регистрация двух ударов, следовательно, дала доказательство существования нейтрино.
Этот второй сигнал стал неопровержимым доказательством. Он подтвердил, что взаимодействие не было фоновым шумом. Оно было реальным. Нейтрино там было.
Новое окно во Вселенную
Райнес не остановился на одном успешном эксперименте. Он понял, что обнаружение нейтрино может открыть новый способ изучения космоса. Если нейтрино могут проходить сквозь звёзды и планеты, не блокируясь ими, они могут нести информацию от самых бурных событий во Вселенной прямо на Землю.
В 1959 году он перешёл в Технологический институт Кейза, а затем в Калифорнийский университет в Ирвайне, где преподавал до выхода на пенсию в 1988 году. Он помог заложить основы нейтринной астрономии, построив детекторы глубоко под землёй, чтобы защитить их от космических лучей.
Паули и Ферми представили нейтрино. Райнес и Коуан сделали его реальностью.
Нейтрино по-прежнему трудно поймать. Оно по-прежнему почти невидимо.
