Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

В сентябре 1950 года Бруно с женой и тремя их маленькими детьми отправились в отпуск в Италию, а затем исчезли. Примерно через месяц правительство Великобритании было вынуждено признать, что один из ведущих ядерных физиков страны, скорее всего, сбежал в Советский Союз. Эта новость тут же оказалась на первых полосах британских газет¹¹⁶.

Люди, которым довелось жить в то непростое время, помнят, как Понтекорво называли шпионом. Общественное мнение эпохи холодной войны объединило его в одну шайку с Клаусом Фуксом, а также Юлиусом и Этель Розенбергами (последние были приговорены в США к смертной казни примерно через шесть месяцев после побега Понтекорво), Кимом Филби и другими советскими агентами. После вынесения приговора Розенбергам журнал Time опубликовал статью под названием «Шпионы: хуже, чем убийство», в которой объявил Понтекорво одним из членов «ближнего круга» зловещих злоумышленников и объяснил, насколько хорошо его предполагаемые преступления (доказательств которых в статье приведено не было) укладываются в общую картину глобального коммунистического заговора.

С тех пор так и не появилось никаких новых фактов, доказывающих, что Понтекорво действительно был шпионом. Современный историк науки доктор Симоне Турчетти – возможно, главный специалист по «делу Понтекорво» – убежден в невиновности Бруно¹¹⁷. Недавно опубликованные секретные документы также показывают, что сотрудники британских правительственных служб прекрасно знали о том, что Понтекорво ни в чем не виноват, однако не стали предавать эту информацию гласности: они в это время вели деликатные переговоры с США о передаче Британии американских ядерных технологий, а миф об измене Понтекорво был весьма удобен определенным политическим фракциям и ряду правительственных агентств, в том числе и ФБР. Так что ни у кого не было никаких причин развенчивать этот миф. Охота на ведьм служила множеству политических целей, однако не имела никакого смысла с точки зрения установления истины.

О местонахождении Понтекорво стало известно лишь через пять лет: в 1955 году он выступил на пресс-конференции в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, неподалеку от Москвы, – известной советской лаборатории, занимавшейся ядерной физикой и физикой частиц. Понтекорво заявил, что оставил Англию, поскольку боялся охоты на ведьм и «давления, которое оказывали на него спецслужбы в ходе проверок»¹¹⁸. По его словам, «он сбежал в СССР, чтобы скорректировать баланс между Востоком и Западом, и он работает в Советском Союзе исключительно в области мирного использования атомной энергии»¹¹⁹. После 1978 года, когда советские власти наконец разрешили Понтекорво выезжать на Запад, он активно участвовал в кампаниях по ядерному разоружению.

Возможно, мы никогда не узнаем всей правды, однако Турчетти смог найти множество документов, говорящих о невиновности Понтекорво, в том числе стенограммы его совещаний с вышестоящими руководителями. Из этих записей видно, что Понтекорво открыто говорил о своих опасениях еще до того, как принял свое судьбоносное решение. Вполне возможно, что он действительно сыграл определенную роль не только в советской программе ядерной энергетики, но и в разработке советского атомного оружия, но только после своего бегства. Маловероятно, что он действовал в интересах СССР до этого.

Но это был неудачный шаг, в том числе и с точки зрения карьеры. В результате своего бегства этот ученый мирового уровня, находившийся в первых рядах в своей научной области, оказался на задворках науки. Конечно, по ту сторону железного занавеса Понтекорво мог и дальше много делать для развития теории, однако Советский Союз серьезно отстал от Запада в технологиях ускорения частиц – а именно в этой области прежде всего и шло главное развитие физики частиц до конца XX столетия.

Одиннадцать человек (все – экспериментаторы) получили Нобелевские премии за свою деятельность, в основе которой лежала теоретическая работа Понтекорво в области нейтринной физики¹²⁰ (это довольно большая ирония, поскольку и сам Понтекорво тоже был, в сущности, экспериментатором). Если бы он счел возможным остаться на Западе – и прожил бы достаточно долго, – то вполне вероятно, что он разделил бы со своими коллегами хотя бы одну из премий¹²¹.

Понтекорво умер в Дубне в 1993 году. Согласно его воле, половина его праха была похоронена там, а другая половина – в Риме. Если Вольфганг Паули первым осмыслил идею нейтрино, а Энрико Ферми дал нейтрино жизнь, то Бруно Понтекорво наделил нейтрино личностью. Его догадка о наличии у нейтрино разных ароматов оказалась верной: в 1962 году было открыто мюонное нейтрино¹²². А в 1958 году, уже из-за железного занавеса, Понтекорво выдвинул предположение о самом странном и загадочном свойстве частицы: о том, что она будет менять аромат, или «осциллировать», в процессе своего движения¹²³.

Итак, нам известны три заряженных лептона: электрон, мюон и тау-частица, открытая в 1975 году¹²⁴. Тау – это самая тяжелая частица из трех, ее масса почти в 3500 раз больше массы электрона, а ее нейтрино было найдено в 2001 году¹²⁵. Соответственно, всего существует шесть лептонов в трех парах, и каждый из них обладает античастицей.

Осцилляция, возникающая лишь при наличии у нейтрино массы, означает, что электронное нейтрино в процессе своего движения может превратиться, скажем, в мюонное нейтрино, затем, возможно, в тау-нейтрино, затем обратно в электронное нейтрино и так далее. Представьте себе, к примеру, что во время утренней прогулки ваша собака превращается в кошку, затем в оцелота, а затем обратно в собаку. Истинность гипотезы Понтекорво, выдвинутой в 1958 году, была доказана через 40 лет (и через пять лет после его смерти) с помощью инструмента, вполне привычного для AMANDA/IceCube. Впрочем, не будем торопить события¹²⁶.

Глава 3
От полтергейста до частицы¹²⁷

Нейтрино делают теоретиков мужественными, а экспериментаторов – настойчивыми.

– Морис Голдхабер

К началу 1950-х годов все было готово к открытию нейтрино. И решением этой задачи занялись два совершенно не похожих друг на друга человека. Одним из них был эффективный, дотошный и (как показали дальнейшие события) невероятно терпеливый ученый по имени Рэй Дэвис¹²⁸, физик-химик из Брукхейвенской национальной лаборатории, заявленная миссия которой состояла в изучении «мирного атома». В те добрые старые дни ученых активно побуждали заниматься разными экспериментами. Когда Дэвис поступил на работу и спросил главу кафедры химии, чем он должен заниматься, его попросили самого придумать себе занятие.

Он отправился в библиотеку. Почти тут же он увлекся идеей нейтрино, и интерес к этой идее остался у него на всю жизнь. Несколько лет он проработал над косвенным методом выявления частицы, а в 1951 году приступил к реализации на практике прямого радиохимического метода Понтекорво¹²⁹.

Заявленная Дэвисом цель первых экспериментов состояла в попытке выявления нейтрино, прилетающих со стороны Солнца. Он хотел понять, будет ли «реакторное» антинейтрино вести себя таким же образом, что и его солнечный собрат¹³⁰. Суть радиохимического метода состоит в извлечении небольшого числа атомов аргона из большой емкости со специальной жидкостью после того, как нейтрино вступит с ними во взаимодействие. Понятно, что этот метод не позволял определять направление движения прилетающих нейтрино.

Инструменты Дэвиса нельзя было считать телескопами. Тем не менее, направив их на Солнце, он тем самым произвел первый эксперимент в области нейтринной астрономии.

Дэвис решил использовать в качестве специальной жидкости обычное жидкое моющее средство – перхлорэтилен, содержащий четыре атома хлора. Он выстроил два детектора, сравнительно больших для того времени. В одном работало около 200 литров жидкости, а во втором – 3900. Воспользовавшись в качестве источника антинейтрино высокопоточным реактором в Брукхейвене, Дэвис смог уловить с помощью большего по размеру инструмента вполне заметный сигнал, но посчитал, что его источником служат не нейтрино, а поток протонов из реактора. Затем он закопал емкость на глубине около пяти с половиной метров, на значительном расстоянии от реактора. Таким образом он рассчитывал экранировать емкость от влияния космических лучей, и сигнал исчез. Совершенно случайно этот шаг привел к формированию традиции, дожившей до наших дней, – детекторы нейтрино и телескопы располагаются в угольных шахтах и туннелях, а также в других необычных и удаленных от цивилизации местах, например в горах.

Затем Дэвис в рамках уже этой традиции дождался августа и перевез свой инструмент меньшего размера на вершину четырехкилометровой горы Эванс в штате Колорадо. Там он смог измерить еще один ложный сигнал и посчитал, что его источником также служат космические лучи. Как я уже говорил, Дэвис был очень дотошным и аккуратным человеком. Когда он наконец опубликовал свои результаты в 1955 году¹³¹, он не стал заявлять, что ему удалось найти нейтрино (в какой-либо форме). С другой стороны, он использовал свой нулевой результат и очевидно низкую чувствительность своего инструмента для расчета верхней границы нейтринной яркости Солнца. (Ограничения, как мы еще убедимся, очень важны в физике: если вы чего-то не видите, но точно знаете, насколько чувствителен ваш инструмент, то вы можете сказать, что, какой бы источник вы сейчас ни изучали, он недостаточно яркий для того, чтобы вы увидели его сигнал, а это уже говорит вам что-то о физике этого источника.)

Позднее Дэвис рассказывал, что одного из рецензентов научного журнала совершенно не впечатлили соображения Дэвиса о верхней границе, поскольку эксперимент, по мнению рецензента, был слишком грубым для того, чтобы он вообще позволял сделать какие-либо заключения о существовании нейтрино¹³². Рецензент проиллюстрировал свою точку зрения замечанием о том, что «ученый не вправе выдавать за научную работу описание эксперимента, который заключается в том, что экспериментатор стоит на вершине горы, пытается дотянуться до Луны, а потом приходит к заключению, что расстояние до Луны больше, чем несколько метров». Чуть позже результаты других экспериментов самого Дэвиса показывали, что его изначальная граница была завышена примерно в 15 000 раз – или, если говорить простым языком, что его инструмент был в 15 000 раз менее чувствительным, чем требуется для выявления солнечных нейтрино. Дэвис вновь вернулся к чертежной доске.

Вторым человеком, посвятившим себя этой загадке, был физик по имени Фред Рейнес, на год моложе Дэвиса¹³³. Изначально Рейнес был теоретиком. Он получил свою докторскую степень в 1944-м, защитив диссертацию под названием «Жидкокапельная модель ядерного деления». С учетом высокой актуальности этой темы (публикация диссертации была отложена на послевоенное время), его тут же пригласили в «Манхэттенский проект» в Лос-Аламосе. Однако он пришел туда слишком поздно, чтобы внести какой-то существенный вклад в создание бомб, использовавшихся в ходе войны. Рейнес остался в Лос-Аламосе, участвовал в испытании многих ядерных устройств в южной части Тихого океана и со временем получил должность руководителя испытаний с кодовым названием «Операция „Парник“» на атолле Эниветок. Испытания были частью программы создания водородной и термоядерной бомбы.

В 1951 году, устав от прикладных задач и желая заняться чем-то более фундаментальным, Рейнес попросился у своего начальника – также человека открытого и готового обсуждать необычные предложения – в отпуск, во время которого он мог бы «поразмышлять». Позднее, вспоминал Рейнес, он

переехал в пустой кабинет и там в течение нескольких месяцев таращился в чистый блокнот в поисках осмысленной темы, которая могла бы стать достойным делом всей жизни. Это было очень сложное время. Шли месяцы, а все, что мне удалось извлечь из подсознания, – это идея возможного использования бомбы для прямого обнаружения нейтрино¹³⁴.

Случилось так, что тем летом в Лос-Аламос приехал Энрико Ферми, поэтому Рейнес

прошел по коридору, тихо постучал в дверь и сказал: «Я бы хотел поговорить с вами пару минут о возможных методах выявления нейтрино». Ферми был ко мне расположен и спросил: «Расскажите, что вы об этом думаете?» На это я ответил: «Что касается источника, то думаю, что лучший – это бомба». После короткого раздумья Ферми произнес: «Да, бомба – это лучший источник».

Это было хорошее начало, и я продолжил: «Но для этого нужен очень большой детектор, а я не знаю, как его сделать». Ферми немного подумал и признался, что тоже этого не знает. Я вернулся от Мастера совершенно уничтоженным.

Рейнес вновь обратился к своему чистому блокноту. Несколько месяцев спустя он и его коллега из Лос-Аламоса по имени Клайд Кован летели по делам на восток, у их самолета возникли неполадки с двигателем, и они были вынуждены приземлиться в Канзас-Сити. У Рейнеса и Кована было несколько свободных часов, пока чинили двигатель, и они принялись обсуждать разные идеи. В конце концов оба согласились, что надо бы «поработать над нейтрино». Кован «знал о нейтрино не больше моего», писал Рейнес, «но он был хорошим экспериментатором и отчаянно храбрым человеком. Мы обменялись рукопожатием и приступили к исследованиям нейтрино»¹³⁵.

Им удалось сконструировать детектор, который можно было бы использовать вместе с бомбой. Они задумали закрепить его на весу в подземной вертикальной шахте, из которой был откачан воздух; шахта была расположена примерно в 60 метрах от башни, на которой была размещена бомба. Ученые планировали освободить детектор в момент детонации бомбы: он начал бы падать в вакууме, и его не смогла бы разрушить ударная волна. После того как детектор наконец приземлялся на подушку из пуха и пенорезины на дне шахты, он мог начать регистрировать множество антинейтрино, излучаемых многочисленными побочными продуктами деления в результате взрыва. Через несколько дней, когда степень радиоактивности на поверхности упала бы до приемлемых значений, детектор можно было поднять из шахты и прочитать результаты, записанные на устройстве.

Впрочем, эта смелая концепция так и не была реализована. Когда ученые представили ее на семинаре в Лос-Аламосе, один из их коллег предложил заменить бомбу реактором. Рейнес и Кован оперативно создали новую концепцию и вновь обратились к Ферми, на этот раз в письме. Теперь мастер был более оптимистичен:

Очевидно, что ваш новый метод намного проще с точки зрения реализации и обладает серьезным преимуществом – вы можете повторять измерения любое количество раз… Я не вижу ни одной причины, по которой эта идея не сработала бы¹³⁶.

Метод Рейнеса и Кована в корне отличался от того, что предлагал Понтекорво. У нового метода имелось и еще одно преимущество – детектор можно было настроить на улавливание антинейтрино, которые, как ожидалось, будут исходить из реакторов.

Детектор напоминал по форме сэндвич с ветчиной: у него было два слоя «ветчины» и три слоя «хлеба», один из которых располагался в центре, между «ветчинными» слоями, а еще два – сверху и снизу. «Ветчинные» слои представляли собой емкости с водным раствором хлорида кадмия, а «хлебные» – емкости с жидким сцинтиллятором, состояние которого контролировали оптические детекторы (сцинтилляторы – это материалы, которые отдают свет при прохождении через них заряженных частиц или гамма-лучей).

Метод был основан на процессе обратного бета-распада с участием позитрона (этот процесс был описан Жолио-Кюри). Антинейтрино из реактора сталкивается со свободным протоном в воде целевого слоя, в результате чего превращается в нейтрон и выбрасывает позитрон. Это приводит к появлению двух вспышек света. Первая возникает почти сразу же после того, как позитрон находит ближайший электрон, и они подвергаются взаимной аннигиляции, отправляя два фотона в противоположных направлениях. Именно поэтому между целевыми, «ветчинными» слоями располагаются «хлебные» слои, предназначенные для выявления нейтрино: аннигиляция одновременно осветит соседние емкости со сцинтиллятором. Затем новорожденный нейтрон задерживается в жидкости «ветчинной» емкости в течение примерно пяти миллионных секунды, после чего его захватывает одно из ядер растворенного кадмия. Возникающая при этом секундная вспышка гамма-луча освещает две емкости, наполненные сцинтиллятором. Задержка в пять микросекунд служит признаком нейтринного взаимодействия, позволяющим отделить его от шума, создаваемого заряженными частицами в составе космических лучей, которые будут неминуемо просачиваться сквозь детектор и рассеивать нейтроны и протоны из реактора.

Кован и Рейнес провели первый этап своих экспериментов в начале весны 1953 года на реакторе в Хэнфорде, штат Вашингтон (этот реактор в свое время использовался для создания оружейного плутония для бомбы, которая затем будет сброшена на Нагасаки¹³⁷). Несмотря на высокий уровень шума от космических лучей, ученые заметили усиление сигнала при активизации работы реактора и после нескольких месяцев убедились в том, что это усиление объективно происходит. В ноябре они заявили, что, «возможно», обнаружили свободное нейтрино. Заявление было несколько поспешным, и можно предположить, что на нем настоял именно Рейнес: он был намного более агрессивным, чем Кован – скромный и глубоко верующий католик. Рейнес несколько затмевал Кована в течение всего их сотрудничества – так же, впрочем, он поступал в отношении большинства своих коллег. Позднее Кован писал, что это их «свидетельство не выдержало бы испытания в суде» и что «правдивость» этого свидетельства стала ясной лишь в ретроспективе¹³⁸.

Тем не менее это была серьезная новость, и вскоре она перелетела Атлантический океан и дошла до человека, который придумал эту частицу двумя десятилетиями ранее. Молодой постдокторант Уильям Баркер, работавший в то время с Паули, пишет, что, когда новость дошла до Цюриха, несколько друзей и преданных соратников великого ученого устроили для него праздничный ужин на холме Утлиберг неподалеку от города:

На обратном пути вниз мы с Конрадом Блейлером заметили, что Паули слегка пошатывается от красного вина, которое мы пили за ужином (как вежливый человек, он не пропускал ни одного тоста своих коллег). Блейлер сказал мне: «Возьми его под левую руку, а я возьму под правую – теперь мы не можем позволить себе его потерять»¹³⁹.

Праздник был несколько преждевременным, поскольку эксперимент Рейнеса и Кована нельзя было назвать полностью совершенным, но, откровенно говоря, Паули был рад любому поводу для хорошей вечеринки.

Кован и Рейнес отправились обратно в Лос-Аламос, чтобы заняться усовершенствованием своего детектора, и вскоре узнали от теоретика Джона Арчибальда Уилера, что на территории полигона радиоактивных отходов Саванна-Ривер в Эйкене, штат Южная Каролина, завершается строительство самого мощного реактора в мире¹⁴⁰. Осенью 1955 года Кован и Рейнес, захватив с собой семьи, отправились на другой конец страны, чтобы провести на этом реакторе вторую серию экспериментов. Все это напоминало атмосферу какого-то летнего скаутского лагеря: они рассказали о своем методе Рэю Дэвису, и тот тоже запустил второй этап своих экспериментов бок о бок с ними. Дэвис снова ничего не нашел, однако Кован и Рейнес нащупали золотую жилу.

Новый реактор создавал намного больше нейтрино, а ряд усовершенствований в конструкции позволил ученым снизить уровень фонового шума. К началу июня 1956 года они получили вполне конкретный результат. О степени «застенчивости» нейтрино может говорить то, что, согласно их расчетам, реактор излучал около 12 триллионов электронных антинейтрино сквозь каждый квадратный сантиметр детектора каждую секунду, однако при этом ученым удавалось выявлять лишь три случая обратного бета-распада в час¹⁴¹. Кован писал:

Мы сделали то, что хотели. Мы испытали совершенно незабываемые ощущения от того, что открыли для человечества новое научное знание, и до какого-то момента были единственными в мире, кто обладал этим знанием. Мы доказали, что нейтрино существует в качестве объективного и поддающегося обнаружению явления природы. Великим законам сохранения энергии удалось выстоять. И наша небольшая группа смогла внести в это свой вклад¹⁴².

К тому моменту Рейнес и Кован уже были полностью уверены в своих результатах и осмелились обратиться к Паули напрямую. 14 июня они отправили в Цюрих телеграмму:

Мы счастливы сообщить вам, что определенно зарегистрировали нейтрино от фрагментов деления при наблюдении за обратным бета-распадом протонов. Наблюдаемые значения поперечного сечения соответствуют ожидаемому значению 6×10^–44 квадратных сантиметров.

Телеграмма была переправлена Паули, который в то время сидел на собрании в ЦЕРН – европейской лаборатории, находящейся в пригороде Женевы. Получив через 26 лет столь явное подтверждение своих мыслей о «необычном средстве», способном разрешить кризис в ситуации бета-распада, Паули прервал ход собрания, чтобы зачитать телеграмму вслух и сделать несколько спонтанных комментариев. Затем он ответил Ковану и Рейнесу ночной телеграммой (которая оплачивается по более низкому тарифу), процитировав в ней китайскую поговорку:

Спасибо за ваше сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать.

Однако эффект Паули проявился и в этом случае, поскольку телеграмма так и не дошла до адресата!¹⁴³ Рейнес получил копию телеграммы от Чарльза Энца, последнего из ассистентов Паули, лишь через 30 лет.

Теперь оставалось завершить небольшое пари на ящик шампанского, которое Паули заключил в свое время с Вальтером Бааде и о котором мы знаем со слов Фреда Хойла. На конференции, посвященной нейтрино, проходившей в лондонском Королевском обществе в 1967 году, Хойл рассказал, что Паули рассчитался за проигрыш: «Я знаю это точно, поскольку лично выпил часть этого проигрыша»¹⁴⁴. Впрочем, Паули, верный себе, также выпил немалую его часть.

* * *

Можно было бы предположить, что открытие такого масштаба должно стать безусловным успехом, однако у крошечной частицы были свои собственные планы. По словам Чарльза Энца, «несколько последующих экспериментов заставили ученых заметить некий встроенный дефект»¹⁴⁵. Возможно, Ковану и Рейнесу действительно удалось найти нейтрино, однако они слишком поторопились с публикацией четкого значения так называемого сечения. Эта величина описывает вероятность возникновения взаимодействия, связанного со столкновением или чем-то подобным, и имеет размерность площади. Для удобства понимания представьте себе окно, в которое вставлено стекло – настолько прочное, что если какой-то ребенок бросит в него жесткий бейсбольный мяч, то стекло разобьется лишь в одном случае из десяти. В данном случае сечением для соприкосновения мяча со стеклом будет считаться площадь окна, а сечение для случая, когда стекло разобьется, будет в 10 раз меньше.

Помимо публикации числа –6×10^–44 см², указанного в телеграмме в адрес Паули, Кован и Рейнес сделали следующий шаг и заявили, что это значение находится «в пределах 5 %» от теоретически предсказанного значения сечения, с величиной погрешности в пределах около 10 %. Таким образом, теоретическое значение отлично вписывалось в их экспериментальный диапазон.

Но еще до того, как они рассказали миру о своем новом открытии, два американских теоретика китайского происхождения с восточного побережья США – Ли Чжэндао из Колумбийского университета и Янг Чжэньнин из Института перспективных исследований – начали подозревать, что нейтрино (или, точнее, слабое взаимодействие) может обладать удивительным качеством, способным увеличить теоретическое значение в два раза. Узнав об этой идее, Рейнес решил настаивать на своем и принялся упрямо защищать анализ, который они провели вместе с Кованом. В течение следующих шести месяцев подозрения, выдвинутые Ли и Янгом, были подтверждены другими экспериментами, и расхождение с цифрами, полученными в Саванна-Ривер, стало сложно игнорировать. Еще раз изучив свои методы, Кован и Рейнес поняли, что они «существенно переоценили эффективность обнаружения частицы»¹⁴⁶.

В 1958 году они провели третий раунд тестов на основе улучшенных методов и получили значение, превышавшее прежнее почти в два раза и вполне соответствовавшее новой теории¹⁴⁷. Однако о проблеме уже было невозможно забыть. Изначальная позиция глухой обороны, которую занял Рейнес, вкупе с его привычкой слегка подгонять цифры под имевшиеся в то время теории привели к тому, что в ученой среде возникло (и продержалось несколько десятилетий) недоверие и даже неприятие. Кое-кто даже подозревал, что на самом деле Рейнесу и его партнеру вообще не удалось найти нейтрино. Поведение Рейнеса в последующие годы никак не помогло разрешить это напряжение¹⁴⁸. Все происходило за сорок лет до того, как за это открытие была получена половина Нобелевской премии. К моменту ее вручения Кован уже умер, поэтому Рейнес получил часть премии один. Наверное, будет справедливым сказать, что чрезмерно агрессивная защита Рейнесом своей позиции лишила его партнера шанса получить премию вовремя.

Рейнес, умерший в 1998 году, через три года после получения премии, был «человеком значительных физических параметров», обладавшим чрезмерно сильным характером¹⁴⁹. Джон Уилер однажды описал Рейнеса следующим образом:

Талант и в области теории, и в эксперименте, большой человек, которому было дано размышлять о невероятных проблемах, и он переходил от одной проблемы к другой в своих ботинках огромного размера¹⁵⁰.

Вне всякого сомнения, Рейнес был одним из великих экспериментаторов XX столетия, а наследие его неустанной работы можно увидеть во всех основных областях нейтринной физики и нейтринной астрономии (как мы увидим чуть позже). Он очень любил поэзию, сам писал стихи и обладал красивым баритоном. В какой-то момент в молодости ему нужно было даже сделать выбор между оперой и физикой. В зрелом возрасте он пел в хоре Кливлендского симфонического оркестра под управлением композитора и легендарного дирижера Джорджа Шелла. Джон Лёрнд, один из основателей DUMAND, также не лишенный музыкального слуха, говорит, что «голос Фреда был глубоким и богатым, намного лучше, чем у большинства смертных».

Однако у Рейнеса имелись и темные стороны. Он постоянно стремился к соперничеству, даже со своими собственными учениками, которых он крайне редко поддерживал. За годы ему удалось нажить массу врагов. Лёрнд вспоминает, как Рейнес как-то сказал ему, что они с Кованом «не пытались измерить какие-либо физические параметры» в ходе своего первого эксперимента в Саванна-Ривер: они хотели «лишь показать, что им удалось найти неуловимое нейтрино». «При должном уровне скромности и открытости», добавляет Лёрнд, «всех последовавших за этим открытием проблем можно было бы избежать».

Научный писатель и физик Джереми Бернстейн называет полтора года, начавшиеся с появления у Ли и Янга новой догадки, «славной революцией»¹⁵¹ (в былые времена кое-кто даже называл этот период менее политкорректно: «китайская революция»). Идея Ли и Янга потрясла всю физику настолько, как этого не случалось со времен открытия явления деления ядра. Два теоретика поняли, что слабое взаимодействие – и, в свою очередь, нейтрино – может нарушать один из самых священных законов физики: закон зеркальной симметрии, согласно которому зеркальное отображение любой физической системы будет вести себя так же, как и сама система. На техническом языке это называется четностью.

Сомнения в сохранении четности возникли у Ли и Янга из-за поведения нового поколения частиц, которые незадолго до этого были найдены в потоках космических лучей. Они обладали ранее неизвестным качеством, которое впоследствии было названо странностью. Два из этих странных существ, тета (θ) и тау (τ), казались практически одинаковыми – у них были идентичные значения массы, спина и срока жизни, – но разница заключалась в том, что тета распадалась на два пиона, а тау – на три. «Физики были бы счастливы считать тету и тау идентичными»¹⁵², пишет Бернстайн, однако это привело бы к нарушению принципа сохранения четности, то есть закона, «который нельзя было перекраивать по своему усмотрению»¹⁵³.

Ли и Янг были очень энергичны в своей деятельности¹⁵⁴. Когда их захватывала какая-то идея, они могли обсуждать ее по-китайски целыми днями напролет – причем, по словам их коллег, делали это довольно громко. Время от времени они прерывали свою дискуссию, расходились по разным углам, и каждый погружался в свои вычисления. Затем они вновь встречались и продолжали обсуждение. Однажды, во время беседы в бродвейском ресторане на Манхэттене, напротив Колумбийского университета, они поняли, что для разрешения загадки тета- и тау-частиц им нужно изучить все когда-либо проведенные эксперименты со слабым взаимодействием и посмотреть, что говорят их результаты о сохранении четности. Занявшись этим, Ли и Янг обнаружили, что ни один из экспериментов не занимался тестированием закона как такового. Через восемь дней после того, как Кован и Рейнес отправили свою триумфальную телеграмму Вольфгангу Паули, Ли и Янг представили в уважаемый американский журнал Physical Review свою статью, в которой предположили, что

один из способов разрешения проблемы с тета – тау состоит в следующем: мы можем предположить, что четность не сохраняется достаточно жестким образом и, соответственно, тета и тау предоставляют собой два различных вида распада одной и той же частицы, иными словами, зеркально отображают друг друга¹⁵⁵.

Отметив, что четность сохраняется с большой долей точности в экспериментах с сильными и электромагнитными взаимодействиями, Ли и Янг бросили вызов всему сообществу физиков-экспериментаторов, предложив несколько методов для тестирования сохранения четности при слабом взаимодействии. Подавляющее большинство физиков ожидали, что принципу сохранения четности удастся выстоять.

Первый эксперимент, нацеленный на получение максимально точного ответа, был основан на прямом бета-распаде. Его провела Ву Цзяньсюн, близкая подруга Ли и Янга, также работавшая в Колумбийском университете и выросшая в Китае еще до коммунистической революции. Ву была элегантной и привлекательной, а как ученый – признана во всем мире за свои точные и аккуратные экспериментальные работы.

Ву стала размышлять об использовании магнитного поля для поляризации спинов радиоактивных ядер кобальта‑60 (представляющих собой, по сути, крошечные магниты) и наблюдении за направлением излучаемых ими бета-электронов. Если бы электроны распространялись случайным образом во всех направлениях, это свидетельствовало бы о сохранении четности. Чтобы избежать суеты на уровне атомов, возникающей при более высоких температурах и способной выбить ядро из равновесного состояния, было необходимо охладить кобальт почти до температуры абсолютного нуля, и в связи с этим Ли сотрудничала с командой из Национального бюро стандартов США в Вашингтоне.