Нейтринный эксперимент Раймонда Девиса

 

Оказалось, что можно построить детектор для солнечных нейтрино. К сожалению, этот детектор позволяет фиксировать только те нейтрино, которые возникают в результате побочной реакции превращения бериллия в бор. Эта реакция несущественна для астрофизических процессов в недрах звезд. Такой детектор не позволяет увидеть нейтрино, возникающие в результате чрезвычайно важных для Солнца (а значит, и для нас) реакций водородного цикла. Но если наша модель Солнца правильна, то она будет предсказывать и количество высокоэнергетических нейтрино.

Девис задумал такой эксперимент. В большой контейнер помещается 390000 литров перхлорэтилена. Этот контейнер помещен на глубине 1500 метров под землей и дополнительно защищен толстым слоем воды. Такая защита позволяет исключить нежелательные побочные ядерные реакции. Перхлорэтилен представляет собой жидкость, которая применяется главным образом при химической чистке одежды и близка по свойствам к хорошо известному нам четырех-хлористому углероду. Каждая молекула этого вещества содержит четыре атома хлора, среди которых иногда встречается и чувствительный к нейтрино изотоп Сl³⁷. Использование перхлорэтилена является наиболее дешевой и удобной возможностью сконцентрировать в небольшом объеме много атомов хлора. Эти атомы облучаются в каждый момент времени нейтрино, прилетающими к нам с Солнца. При этом почти ничего не происходит. Многочисленные нейтрино с низкой энергией, которые возникают в результате реакций водородного цикла, проходят через контейнер с перхлорэтиленом, не взаимодействуя с хлором. Однако можно обнаружить нейтрино с высокими энергиями, которые образуются при радиоактивном распаде изотопа бора. Если количество нейтрино высоких энергий правильно оценивается астрофизической моделью Солнца, то в контейнере каждый день в среднем один атом хлора под воздействием солнечного нейтрино будет превращаться в атом аргона.

Чем дольше мы будем ждать, тем больше образуется атомов аргона. Но через 35 дней аргон вновь распадается с образованием хлора. Если перхлорэтилен долго подвергается воздействию потока солнечных нейтрино, то через некоторое время устанавливается своеобразное равновесие: за определенный промежуток времени возникает и распадается в среднем одно и то же количество атомов аргона. К сожалению, концентрация атомов аргона, возникающих в таком контейнере, очень мала. Если наша модель процессов на Солнце правильна, то во всем контейнере будет находиться всего около 35 атомов аргона. Эти атомы нужно отыскать и подсчитать.

Задача о поиске 35 атомов аргона в 610 тоннах жидкости оставляет далеко позади задачу о поиске иголки в стоге сена. Количество атомов хлора только в одном кубическом сантиметре жидкости выражается 22-значным числом, а в контейнере Девиса содержится 390000 литров, т. е. 390 миллионов таких кубических сантиметров! И в этом огромном объеме нужно найти всего-навсего 35 атомов аргона! Но, к счастью, эту задачу можно решить. Атомы аргона можно «отмыть» из перхлорэтилена с помощью гелия, который продувается через объем жидкости. Предварительные опыты показали, что этот способ позволяет выделить из перхлорэтилена примерно 95 % всех атомов аргона. Изотоп аргона, который образуется при взаимодействии хлора с солнечными нейтрино, радиоактивен. Поэтому после выделения этих атомов из контейнера их можно легко подсчитать, фиксируя акты радиоактивного распада.

В жидком перхлорэтилене, который «отмыт» от атомов аргона, образуются новые ядра аргона. Спустя некоторое время они вновь «отмываются» гелием и опять подсчитываются. Таким образом, контейнер с перхлорэтиленом представляет собой неисчерпаемый детектор, в котором постоянно образуются радиоактивные атомы аргона.

В таком контейнере можно ожидать в среднем одно превращение хлора в аргон за сутки. Но, к сожалению, эксперименты, проводившиеся в течение нескольких лет, показали, что одна такая реакция происходит в среднем только раз в четыре дня. Поэтому мы должны прийти к выводу, что на Солнце в каждую секунду образуется только четверть ожидаемых нейтрино с высокими энергиями.

Астрофизики вновь и вновь проверяли свою модель Солнца, а Девис постоянно искал возможные источники ошибок в своем эксперименте. Но несоответствие не исчезло. Что же неправильно в наших уравнениях, описывающих Солнце? Какие ошибки могут содержаться в методике эксперимента в заброшенной шахте по добыче золота?

Трудно себе представить, что все решения, полученные нами с помощью компьютера, неверны. Компьютерная модель Солнца дает слишком хорошее совпадение со многими наблюдаемыми свойствами Солнца. Это мы уже видели выше. В действительности даже небольшие поправки к результатам расчетов позволяют уменьшить ожидаемый поток высокоэнергетических нейтрино, и расхождение с экспериментом исчезает. Чтобы добиться такого результата, достаточно лишь немного понизить температуру в центре Солнца по сравнению с данными нашей компьютерной модели. Непонятно только, почему температура в центре Солнца должна быть меньше, чем предсказывают расчеты.

Расхождение между экспериментом и расчетами можно было бы объяснить, если бы нейтрино могли распадаться со временем. Но современная физика элементарных частиц не допускает такой возможности. Если бы эти частицы, как и некоторые другие, распадались спустя короткое время после своего возникновения (а они летят от Солнца до Земли всего 8 минут), то не было бы ничего удивительного в том, что эксперименты с хлором фиксируют меньше нейтрино, чем предсказывает компьютерная модель. Но физики твердо стоят на том, что нейтрино не могут самопроизвольно распадаться, поэтому такой выход из создавшегося положения недопустим.

Лично я не верю, что наша компьютерная модель может содержать какие-то существенные ошибки. Скорее всего, неправильно подсчитана скорость ядерных реакций взаимного превращения бериллия и бора. Что будет, если два ядра гелия, нормальный Не⁴ и легкий Не³ (с которых начинается эта реакция, рис. 5.6), взаимодействуют друг с другом реже, чем предсказывают специалисты по ядерной физике? Разве на Солнце что-нибудь при этом существенно изменится? Нет, поскольку солнечная энергия возникает в основном за счет реакций водородного цикла, а эти реакции никак не зависят от взаимодействия изотопов гелия. Таким образом, на Солнце ничего не изменится, но уменьшится поток нейтрино высоких энергий, что соответствует результатам эксперимента с хлором. Поэтому я не верю, что опыты с перхлорэтиленом могут существенно изменить наши представления о внутреннем строении Солнца.

 

Эксперимент с галлием

 

Кроме хлора существуют и другие элементы, ядра которых могут взаимодействовать с нейтрино. Одним из них является изотоп элемента галлия. Его массовое число составляет 71. После захвата нейтрино этот изотоп превращается в ядро элемента германия. Существенное отличие от эксперимента с хлором состоит в том, что в эксперименте с галлием можно подсчитать и нейтрино низких энергий. Галлиевый детектор считает нейтрино, возникающие в результате реакций водородного цикла. Таким образом, эксперимент с галлием позволил бы определить интенсивность реакции, которая вносит основной вклад в выделение энергии на Солнце, а не фиксировать нейтрино побочной реакции.

Почему же тогда эксперимент с галлием до сих пор никем не поставлен? Первая трудность состоит в том, как подсчитать все атомы германия, возникающие при взаимодействии галлия с нейтрино. Прежде всего необходимо создать соответствующие детекторы. Вторая трудность является общей для всех опытов с нейтрино. Дело в том, что эти частицы очень редко взаимодействуют с атомными ядрами. Чтобы зафиксировать в течение суток хотя бы одно превращение атома галлия в атом германия под воздействием солнечных нейтрино, требуется контейнер по меньшей мере с 37 тоннами галлия. Это количество сравнимо со всеми запасами чистого галлия в мире. Галлий получают как побочный продукт при выработке алюминия. Стоимость одной тонны галлия в настоящее время составляет почти миллион марок ФРГ. Конечно, галлий не расходуется в нейтринном эксперименте, и его можно потом повторно использовать. Однако непонятно, будет ли это существенно дешевле. В то же время известно, что правительство каждого государства должно иметь запас галлия на случай войны, поскольку галлий требуется для электронной промышленности. Так что идея эксперимента с галлием имеет в этом смысле определенные достоинства. Пока писалась эта книга, в Институте ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге был разработан детектор для германия, а в США, Израиле и ФРГ проведены исследования по подготовке предварительного эксперимента, вначале с одной тонной галлия. Полномасштабный эксперимент тоже будет рано или поздно осуществлен. Подтвердит ли он наши представления о внутреннем строении Солнца? Или же астрофизики узнают, что все их догадки о процессах выделения энергии в недрах звезд неверны?

Внимательный читатель может, вероятно, подумать, что, говоря о современном Солнце, мы забыли упомянуть некоторые его свойства. Так, например, мы ничего на сказали о пятнах на Солнце и 11-летнем цикле солнечной активности, о протуберанцах  и о хромосферных вспышках, о которых время от времени можно прочесть в газетах. Мы не упоминали об этих явлениях, поскольку наше внимание было сконцентрировано на основных свойствах Солнца. Кроме них существуют многочисленные процессы, которые происходят в верхних слоях нашего светила. Они представляют собой примерно то же самое, что и подобные явления в земной атмосфере. А ведь если бы мы говорили о геологической истории нашей Земли, то, по всей видимости, не стали бы останавливаться на таких явлениях, как гром или молния.

 

 

Глава 6

Путь развития тяжелых звезд

 

Результаты эксперимента по взаимодействию нейтрино с хлором, не нашедшие своего объяснения до сегодняшнего дня, не слишком встревожили астрофизиков. Это объясняется тем, что в подавляющем числе случаев результаты моделирования на ЭВМ очень хорошо совпадают с данными астрономических наблюдений. Об этом и пойдет речь в данной главе. Мы расскажем о развитии звезд, масса которых существенно превышает массу Солнца. В тяжелых звездах запасы ядерного горючего истощаются быстрее, и поэтому в природе звезды такого типа находятся на более поздних стадиях развития, чем наше Солнце. На примере тяжелых звезд астрофизики могут сравнить предсказания компьютерных моделей для поздних фаз развития звезд и реальные процессы, происходящие во Вселенной.

Но, к сожалению, оказалось не так-то просто проследить с помощью компьютера за судьбой тяжелых звезд вплоть до поздних стадий развития. Даже появление в послевоенные годы больших вычислительных машин, которые могли проводить расчеты быстрее и лучше, чем прежде, не слишком помогло в решении такой задачи. Чтобы исследовать эволюцию звезд, нужно было создать новый метод расчета.

Постороннему человеку может показаться удивительным, что в решении той или иной вычислительной задачи новый метод расчета часто дает даже больше, чем появление более мощных и современных компьютеров. Но ведь никто не удивляется, когда наблюдательная астрономия делает существенный шаг вперед после появления нового телескопа или запуска специального астрономического спутника. Открытие новых математических методов служит той же цели, только это не так очевидно: математические методы нельзя изобразить с помощью моделей из дерева или картона, их нельзя сфотографировать и показать на экране в виде красочного слайда, а применять их начинают без церемонии торжественного пуска с перерезанием красной ленточки.

 

Луи Хеней и его метод

 

После появления работы Хойла и Шварцшильда в 1955 г. развитие теоретических представлений об эволюции звезд солнечного типа приостановилось. То же самое относится и к теории звезд, масса которых не слишком сильно отличается от солнечной. Модельные расчеты позволили установить, что когда эти звезды попадают в область красных гигантов, температуры в их недрах достигают 100 миллионов градусов. При этой температуре должно начаться превращение гелия в углерод. Но как только в модель для первой ядерной реакции подставляли данные для нового источника энергии, старый метод расчета переставал работать. В то время уже было известно, что гелий выгорает в недрах красных гигантов очень быстро и неравномерно. Это установил еще в 1952 г. Леон Местель в своей кембриджской диссертации. Но тогда никто не догадывался, что, пользуясь прежним методом расчета, принципиально невозможно построить работоспособную модель на ЭВМ.

С тяжелыми звездами дело обстояло еще хуже. В них горение водорода происходит во внутренней, конвективной зоне. Модель должна была предсказывать, что происходит в этой зоне при постепенном выгорании водорода. Оказалось, что при большом обеднении исходной водород-содержащей смеси компьютер «заходил в тупик». Астрофизики ни разу не смогли довести расчет для тяжелых звезд до стадии красных гигантов, что удалось Хойлу и Шварцшильду для звезд типа Солнца. В таком состоянии дело находилось до конца 50-х годов.

В это время на рынке стали появляться все более мощные модели компьютеров, однако это мало помогло астрофизикам. Хойл со своими сотрудниками пытался с помощью численных методов проследить развитие тяжелых звездно без особых успехов. Шварцшильд тоже предпринял неудачную попытку «пробиться» через стадию горения гелия у звезд с массой, близкой к массе Солнца. В это время в Японии работала группа физика Дзусиро Хаяси, которой удалось с помощью очень упрощенной модели, используя арифмометры, практически вручную показать, какая судьба ожидает тяжелые звезды после того, как в их центре исчерпаются запасы водорода. Позже оказалось, что работа японских исследователей дала в общих чертах правильные результаты. Но это стало ясно только после открытия нового метода расчета.

На обратной стороне Луны есть кратер Хеней. Международный астрономический союз дал ему это имя в 1970 г. в честь умершего тогда Луи Хенея, который успешно работал в различных областях астрофизики. Но наибольшее влияние на судьбу этой науки оказал открытый им новый метод расчета, который сегодня все называют методом Хенея.[14]

В августе 1961 г. состоялся конгресс Международного астрономического союза в Беркли (Калифорния). Это был первый из подобных конгрессов, на котором мне довелось присутствовать.

На его заседаниях было сделано множество докладов по специальным разделам астрофизики. Один из них был прочитан Луи Хенеем, который в то время работал на астрономическом факультете Университета в Беркли. Доклад был посвящен новому методу расчета для моделей развития звезд. К тому моменту прошло уже некоторое время с тех пор, как Хеней создал свой новый метод. За несколько лет до конгресса его группа опубликовала статью, посвященную новому методу. Но тогда еще никому в том числе и, вероятно, самому Хенею не было ясно, чего можно добиться с его помощью. Однако за время, прошедшее до начала конгресса в Беркли, авторам удалось существенно упростить и улучшить свой метод.

Хеней не принадлежал к числу ученых, которые работают быстро и публикуют много статей. Поэтому в тот день все, кто интересовался теорией развития звезд, собрались послушать его доклад. Я ничего тогда не понял, но прилежно все записал. Затем после конгресса, в течение полугода работая у Мартина Шварцшильда в Принстоне, я был свидетелем того, как Шварцшильд по своим запискам полностью восстановил метод, изложенный в докладе Хенея. Я тоже разыскал свои записи и смог за несколько дней разобраться в методе Хенея. Шварцшильд применил этот метод к задаче, которая его особенно в то время занимала, о горении гелия в звездах типа Солнца. Спустя некоторое время ему удалось «преодолеть» этот быстрый, взрывной этап развития звезд. Метод Хенея помог ему исследовать стадию развития, которая до сих пор никак не поддавалась изучению! Осенью 1962 г. я возвратился в Мюнхен после пребывания в Пасадене. У меня в кармане были мои разработки по методу Хенея.

В это время в нашем Институте физики им. Макса Планка уже работал астроном Альфред Вайгерт. Он вместе с юной специалисткой по вычислительной математике Эмми Хофмейстер был готов начать расчеты с помощью метода Хенея. Вычислительные возможности бывшего астрофизического отделения Института физики, которое к тому времени превратилось в отдельный институт астрофизики, существенно расширились, и поэтому путь был открыт. Мы хотели довести тяжелую звезду из главной последовательности до стадии красного гиганта. Прежние методы расчета не позволяли при работе с большими звездами даже выйти за пределы главной последовательности.

В марте 1963 г. наша звезда мы выбрали для нее массу в 7 раз больше массы Солнца не только покинула главную последовательность, но и переместилась в область красных сверхгигантов, где в ее недрах началась ядерная реакция превращения гелия в углерод. Мы послали телеграмму в Беркли: «Метод Хенея начал работать в Мюнхене. Спасибо!»

С этого момента началась история звезды с массой в 7 раз больше солнечной.