Книга: Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

Загадка солнечных нейтрино

Загадка солнечных нейтрино

Ученые обычно строят модели, являющиеся упрощенным описанием определенного физического процесса. Инженер часто изучает поведение масштабных моделей, которые представляют собой миниатюрный вариант реального предмета. Для моделирования сложных структур или механизмов инженер применяет вычислительную машину. Астрономы не могут построить масштабные модели: их модели Вселенной, галактик и звезд чисто теоретические и всегда останутся такими из-за громадных размеров изучаемых объектов. Научные модели имеют несколько назначений. Чтобы модель можно было считать хорошей, она должна адекватно объяснять явление, для описания которого создана. Возьмем для примера законы всемирного тяготения. Законы Ньютона достаточно точно объясняют физические процессы повседневной жизни, например падение яблока или колебания маятника. Однако они не дают достаточно удовлетворительного объяснения движению орбиты планеты Меркурий в солнечном гравитационном поле. Для объяснения этого явления необходима более сложная модель — общая теория относительности Эйнштейна. Эта теория может объяснить эффект постоянного вращения орбиты Меркурия, обычно называемый поворотом перигелия Меркурия. Но даже теория Эйнштейна не дает полного объяснения поведению таких гравитационных объектов, как черные дыры.

Неудовлетворительность старой модели часто приводит к созданию более усовершенствованной теории. Так, теория Ньютона последовала за моделью Кеплера, теория Эйнштейна сменила теорию Ньютона; так оно будет продолжаться и дальше. Следовательно, неспособность прежней модели объяснить какое-либо новое явление может направить научный поиск по совершенно новому и плодотворному пути.

Совсем недавно считали, что обширная область астрофизической теории, а именно теория структуры и эволюции Солнца и звезд, полностью построена. Казалось, что математические модели дают совершенно ясное объяснение процессов, происходящих на звездах. Правда, всегда оставался вопрос: можно ли быть уверенным, что модели хорошо отражают действительные физические процессы, если сами эти процессы, происходящие в глубине Солнца, нельзя непосредственно наблюдать?

В случае Солнца важно помнить, что его теперешнее излучение несет информацию об условиях, существовавших в ядерном реакторе Солнца миллионы лет тому назад. Ведь именно тогда родились фотоны, которые сейчас падают на наши тела и на входную апертуру наших телескопов. Однако существует ядерная частица, предсказанная теоретически в 1931 г., которая может рассказать о сегодняшнем состоянии внутренних областей Солнца.

На заре развития ядерной физики Вольфганг Паули, размышляя над процессом радиоактивного распада, пришел к выводу, что для соблюдения законов сохранения — законов, согласно которым определенные физические величины не могут быть ни созданы, ни разрушены в процессе радиоактивного распада,— кроме электронов должна выделиться еще одна частица. Тем самым он постулировал существование новой субатомной частицы, названной впоследствии нейтрино (уменьшительное от «нейтрон»). О ней мы вкратце упоминали в главе 4. Эта частица субатомного мира замечательна тем, что не имеет электрического заряда, масса покоя ее ничтожна или равна нулю, а скорость движения равна скорости света. Нейтрино обладают необыкновенной проникающей способностью, они почти не взаимодействуют с обычным веществом. Бесчисленные миллионы нейтрино проходят через нас каждую секунду. Даже слой свинца толщиной от Земли до Плутона мало повлияет на величину нейтринного потока. По этой причине только через четверть столетия после предсказания Паули нейтрино были надежно обнаружены в одном из экспериментов.

Солнце выделяет огромное количество нейтрино, так как внутри Солнца при реакциях термоядерного синтеза при образовании одного нового ядра гелия (?-частицы) появляются два нейтрино (гл. 5). Каждую секунду на Солнце образуются 2?10³⁸ нейтрино. Что с ними происходит дальше? Поскольку взаимодействие нейтрино с веществом имеет очень малую вероятность, все они улетают из Солнца. Даже плотное вещество солнечного ядра не может остановить их продвижения. Любопытная ситуация, не правда ли: электромагнитная энергия, генерируемая в центре Солнца, излучается Солнцем только спустя миллионы лет, в то время как нейтрино улетают со скоростью света почти беспрепятственно! На Земле, которая является малой мишенью для таких расстояний, поток нейтрино через площадку в 10 см² (размер большой почтовой марки) составляет 10¹³с^-1. А мы совершенно не замечаем, что нас непрерывно пересекает такой огромный поток безобидных частиц.

Если бы можно было построить прибор, измеряющий поток нейтрино (нейтринный детектор), то мы смогли бы узнать, что происходит в центре Солнца в настоящее время. Ученые могли бы сопоставить предсказания солнечных моделей с реальными измерениями. Такой прибор построил американский физикохимик Раймонд Дэвис.

Дэвис не ставил перед собой задачу изучения Солнца. Он работал над другой проблемой, на первый взгляд совершенно не связанной с астрономией. Ранее было высказано предположение о существовании двух типов нейтрино: нейтрино и антинейтрино, которое является своеобразным антиподом первого. Хотя наш обычный мир полностью состоит из вещества, в микромире есть вещество и антивещество. При столкновениях частицы со своей античастицей обе частицы исчезают, превращаясь в энергию (вспомните уравнение Е = тс²!). Так вот, Дэвис хотел найти способ различить нейтрино и антинейтрино. Идея эксперимента была предложена Бруно Понтекорво, который тогда, в 1947 г., работал в ядерной лаборатории Чалк Ривер в Канаде. Понтекорво предложил использовать в качестве ловушки для нейтрино атомы хлора-37. Дело в том, что если атом хлора-37 сумеет захватить нейтрино определенной энергии, то он превратится в атом аргона-37; при этом происходит также выброс электрона. Антинейтрино же хлором-37 не поглощаются. Следовательно, если хлор-37 превратится частично в аргон-37, это будет означать, что имеет место поток нейтрино. Первые опыты Дэвиса проводились рядом с ядерным реактором, излучающим огромное число нейтрино.

Для проведения эксперимента необходимо измерить количество аргона-37, возникающего в результате распада хлора-37. Аргон-37 превращается обратно в хлор-37 в среднем за время, равное 35 дням, причем этот процесс сопровождается излучением электрона строго фиксированной энергии. Обнаружение электронов с такой энергией и дает возможность определить количество аргона-37. Для успеха всей этой детективной работы нужно, чтобы возникло по крайней мере 10 атомов аргона.

В своем пионерском эксперименте 1955 г. Дэвис использовал 15000 литров четыреххлористого углерода (тетрахлор-метан), потому что эта прозрачная жидкость богата хлором-37. Через несколько дней был обнаружен аргон-37. Таким образом, Дэвис обнаружил нейтрино, испускаемое реакторами, и одновременно установил грубую верхнюю границу потока нейтрино от Солнца.

Усовершенствование основной схемы в результате привело к созданию детектора солнечного нейтрино, в десятки тысяч раз более чувствительного, чем вначале. Солнечный нейтринный телескоп в современном виде представляет собой резервуар, наполненный тетрахлорметаном, объемом 450 кубометров, что близко к объему обычного 25-м плавательного бассейна. И все это предназначено для обнаружения ничтожного количества аргона-37. Детектор должен быть защищен от космических лучей, которые могли бы также различными способами образовать аргон-37. Поэтому детектор расположен под поверхностью Земли на глубине больше 1,5 км на дне старой шахты Южной Дакоты. Такое необычное расположение астрономического телескопа вызвало сенсацию как в кругах профессиональных астрономов, так и среди обычной публики.

Прибор Дэвиса не может обнаружить любые солнечные нейтрино. Только нейтрино, образующиеся при распаде бора-8 (⁸В), имеют энергию, необходимую для превращения хлора-37 в аргон-37. Другие солнечные нейтрино неэффективны. Как отмечалось в главе 5, распад бора имеет место в третьей из трех возможных ветвей протон-протонного цикла. Мы подходим здесь к очень важному месту: именно в этой ветви в противоположность двум другим скорость образования нейтрино очень сильно зависит от температуры (примерно, как Т¹³). Следовательно, измерение потока солнечного нейтрино дает возможность определить температуру самых глубоких слоев Солнца. В свою очередь определение этой температуры обеспечивает важную и независимую проверку теоретических моделей процессов, происходящих на Солнце.

Рис. Общая схема солнечно-нейтринного телескопа.

В течение многих лет Дэвис и теоретики играли в игру, которую можно назвать интеллектуальной чехардой. Всякий раз, как Дэвис улучшал чувствительность своего телескопа, теоретики производили пересмотр ожидаемого потока солнечного нейтрино, все время уменьшая его. Число обнаруженных нейтрино намного меньше предсказанных теоретиками, хотя возможные ошибки измерений не превышают 10%. Общепринятая модель процессов внутри Солнца дает поток нейтрино в 10 больший, чем наблюдаемый. Поэтому теоретики делают попытки несколько видоизменить солнечные модели, чтобы привести их к лучшему согласию с опытами Дэвиса.

Одну из попыток объяснить противоречие между теорией и экспериментом предприняли Эзер и Камерон. Если предположить, что по какой-то причине когда-либо в прошлом вещество внешних слоев Солнца было перемешано с веществом внутреннего ядра, то это приведет к необходимости пересмотра относительного содержания элементов в солнечном ядерном реакторе. Такое перемешивание могло принести в ядро свежие запасы гелия-3, что привело бы к немедленному дополнительному выделению энергии в солнечном реакторе. Это привело бы к расширению ядра и вследствие этого к падению температуры. А при уменьшении температуры поток нейтрино катастрофически уменьшается. Такое перемешивание Солнца, по оценкам теоретиков, могло происходить периодически примерно каждые 100 млн. лет. После каждого такого перемешивания в течение 10 млн. лет температура ядра и поток нейтрино будут меньше нормы.

Гипотеза Эзера-Камерона — это только один из примеров того, как некоторая модификация общепринятой модели может изменить величину потока нейтрино. Похожая идея, например, состоит в предположении о быстром вращении солнечного ядра, приводящем к перемешиванию. Было даже выдвинуто совсем неожиданное предположение, что у Солнца есть небольшая черная дыра в центре, но солнечные физики не принимают эту идею всерьез.

Как бы ни оценивать солнечный нейтринный эксперимент, проблема остается. Дэвис, по-видимому, не обнаружил какие-либо солнечные нейтрино, а все разумные модели солнечного ядра предсказывают поток хотя бы в несколько нейтрино. Более того, общепринятые модели звезд дают поток нейтрино, который легко было бы обнаружить при помощи телескопа. Возникает вопрос: означает ли это, что Солнце не совсем обычная звезда? Или на Солнце происходит очень длительный процесс перемешивания?

Результат нейтринного эксперимента имеет важное значение для нашего понимания вариаций земного климата. Отсутствие нейтрино может означать, что температура в центре Солнца и солнечная светимость в настоящее время меньше нормального уровня. Вполне возможно, что понижение температуры Солнца приводит к возникновению длительных ледниковых периодов, обычно наступающих с интервалом в 200—300 млн. лет. Если такая интерпретация результатов Дэвиса верна, то Земля в настоящее время переживает ледниковый период. И если на Земле сейчас относительно тепло, то это только потому, что мы живем в относительно коротком (длительность которого 200 000 лет) межледниковом интервале.