Підпоручик Кіже – персонаж з історичної повісті письменника Ю.М. Тинянова. Цього підпоручика ніхто ніколи не бачив, але його вважали винуватцем усіх витівок та проказ, що відбувалися в придворних колах Петербурга наприкінці ХVIII століття.

Ця міфічна постать спадає на думку, коли мова заходить про нейтрино – елементарну частинку, яку ніяк не вдавалося виявити в дослідах, але на яку списувалися всі проблеми, що мали місце в процесах ядерної фізики.

Почалося все з того, що ще на початку минулого століття виявилося «зникнення» частини енергії в процесах бета-розпаду, коли з атомного ядра радіоактивних речовин вилітає швидкий електрон. Енергія цих електронів виявлялася меншою за ту, яка мала б бути. Ще одна проблема, що полягає, нібито, в порушенні закону збереження імпульсу, виникала у зв'язку з розпадом нейтрона. Сам нейтрон, як складова частина атомних ядер, стійкий. Але вільний нейтрон мимоволі розпадається в середньому за 10-15 хвилин на протон та електрон. За законом збереження імпульсу вони мають розлітатися у строго протилежних напрямах. Насправді ж вони розлітаються під деяким кутом, відмінним від 180° (рис. 1). Що ж забирає недостатній імпульс?

Щоб вийти із цього становища, швейцарський фізик В. Паулі в 1931 р. зробив, як він сам висловився, «відчайдушну спробу» врятувати справу, припустивши, що в подібних процесах бере участь деяка ще невідома частинка. Ця частинка має бути електрично нейтральною, тому що баланс зарядів у зазначених реакціях не порушується, і мати надзвичайно малу масу, набагато меншу за масу найменшої з відомих тоді елементарних частинок – електрона. Вона повинна була дуже слабко взаємодіяти з речовиною, оскільки жодних слідів за собою не залишала. Адже саме за такими слідами вдається виявляти інші елементарні частинки.

Цю гіпотетичну частинку італійський фізик Енріко Фермі запропонував назвати нейтрино (на відміну від відомого тоді реально існуючого нейтрона), тобто, так би мовити, маленьким нейтроном, «нейтрончиком». Така назва за цією частинкою і закріпилася. Отже, перед фізиками постала проблема: або відмовитися від основних законів фізики (стосовно принаймні до внутрішньоядерних процесів), або допустити реальне існування гіпотетичної невловимої частинки з вельми дивними властивостями.

Така невизначеність існувала близько десяти років, поки в 1942 р. на підставі деяких непрямих експериментів реальність існування нейтрино не була нарешті доведена. Однак прямих спостережень процесів за участю нейтрино все ж таки не було. Ідея такого прямого експерименту була запропонована в 1946 р. італійським фізиком Бруно Понтекорво. Він запропонував використати ядерну реакцію

Cl³⁷ + n –> Ar³⁷ + e^–

Тут нейтрино n поглинається ядром ізотопу хлору з атомною вагою 37, яке перетворюється на ядро радіоактивного аргону з такою самою атомною вагою. Цей ізотоп аргону розпадається з періодом напіврозпаду 34 дні, викидаючи швидкий електрон. З появою таких електронів можна було б судити, що реакція відбулася.

Проте від початку було очевидно, що ймовірність захоплення нейтрино атомом хлору надзвичайно мала. Для реалізації подібного експерименту знадобилося б або велика кількість речовини, що містить хлор, або величезні потоки нейтрино. Останнє стало можливим після створення потужних ядерних реакторів.

 Розпад одного ядра урану, що відбувається там, повинен супроводжуватися вильотом в середньому 5-6 нейтрино, так що величина потоків нейтрино поблизу реактора могла доходити до 1013 нейтрино в секунду на 1 см². Як робоча речовина, що містить хлор, у цих експериментах використовувався чотирихлористий вуглець C₂Cl₄ – порівняно дешева летюча рідина, яка використовується, наприклад, у побуті для хімічного чищення одягу. Такі експерименти, проведені у 50-х роках, підтвердили повною мірою реальність існування нейтрино і навіть його «собрата» – антинейтрино.

Успіхи подібних експериментів поставили на порядок денний грандіозне питання про реєстрацію сонячних нейтрино, що утворюються в глибинах Сонця при ядерних реакціях, що протікають там.

Теорія про походження сонячної енергії до цього часу вже добре розроблена. Вона полягала в тому, що у глибинах Сонця, де температура сягає 12–15 млн. градусів, відбуваються термоядерні реакції, у яких 4 ядра водню (протона) поєднуються з утворенням одного ядра гелію Не⁴. При цьому виділяється величезна кількість енергії (18,6 МеВ), яка і підтримує вказану високу температуру, і, зрештою, випромінюється Сонцем у навколишній простір, обігріваючи і нас з вами.

 Було запропоновано кілька варіантів цих процесів. Але всі вони повинні супроводжуватися утворенням нейтрино, щоправда, у різних кількостях та з різними енергіями. Ці нейтрино практично не поглинаються речовиною Сонця і виходять назовні, несучи із собою 5–7 % загальної енергії, випромінюваної Сонцем. За існуючими оцінками, щосекунди на Сонці народжується близько 1038 нейтрино. За кілька хвилин вони долітають до Землі, створюючи потік 6×10¹⁰ штук нейтрино на квадратний сантиметр за секунду. Чудовим є те, що ці нейтрино приходять до нас безпосередньо з надр Сонця, де киплять термоядерні реакції. Виявлення цих нейтрино та вивчення їх властивостей дозволило б судити про правильність наших уявлень про процеси, що відбуваються в глибинах Сонця, підтвердити чи спростувати існуючі моделі цих процесів.

Складність експериментів з уловлювання сонячних нейтрино полягає в тому, що ймовірність їх уловлювання будь-якою речовиною надзвичайно мала. Адже саме завдяки своїй проникливій здатності їм вдається без перешкод вибратися із сонячних глибин.

В описаних вище експериментах з ядерним реактором це компенсувалося величиною потоків нейтрино. Але потік сонячних нейтрино на Землі набагато слабший. Тому для здійснення такого експерименту знадобилася б величезна кількість тієї самої робочої речовини – чотирихлористого вуглецю. Тому в експерименті було задіяне понад 600 тонн C₂Cl₄ (як кілька залізничних цистерн, див. рис. 2).

Інша складність полягала в тому, що ефект появи швидкого електрона (за яким і реєструвалася хлор-аргонова реакція нейтрино) міг маскуватися подібним ефектом, створюваним космічними променями. Тому всю експериментальну установку довелося сховати глибоко під землю, настільки глибоко, щоб туди не проникали космічні промені. Для цього вся установка була розміщена у занедбаній шахті на глибині понад 1400 метрів. Сам експеримент було проведено у 1967–68 роках у США і дав дещо збентежуючі результати. Потік сонячних нейтрино був дійсно зафіксований, але його величина була в кілька разів меншою від тієї, яка випливала з існуючих теорій. Це викликало помітне хвилювання у вчених колах, тому що ставило під питання правильність цих теорій та наших уявлень про процеси, що відбуваються в глибинах Сонця. Сумніви тривали кілька десятиліть, поки, нарешті, в останні роки не було виявлено причини розбіжностей, що спостерігаються. Справа в тому, що, виявляється, нейтрино може бути в кількох станах, переходячи в польоті від Сонця до нас з одного в інший. І лише один із цих станів здатний до зазначеної вище хлор-аргонової реакції.

Звичайно, подібно до Сонця і всі інші зірки також випускають потоки термоядерних нейтрино. Але через великі відстані ці потоки такі слабкі, що виявити їх наявними засобами неможливо. Однак у житті деяких найпотужніших зірок настає момент, коли вони, грубо кажучи, вибухають. Це досить рідкісне і драматичне явище, у якому яскравість світіння зірки збільшується на багато порядків, називається явищем Наднової. Такі Наднові виникають на нашому небосхилі нечасто – раз на кілька століть і світять протягом кількох місяців, а потім гаснуть. Подібний вибух супроводжується викидом дуже сильних потоків нейтрино, настільки великих, що згідно з розрахунками, їх цілком можна буде спостерігати наявними зараз засобами. Слід лише дочекатися появи чергової Наднової.

Таким чином, наш Всесвіт безперервно наповнюється потоками нейтрино, що випромінюються зірками. Вони нічим не поглинаються, та їх концентрація безупинно зростає. Однак є підстави вважати, що крім цих безперервно продукованих нейтрино простори Всесвіту заповнені ще так званими реліктовими нейтрино, що народилися в перший період життя Всесвіту, невдовзі після «Великого вибуху», що призвів до його утворення. Концентрація цих нейтрино оцінюється близько 200 штук на кубічний сантиметр. Але їхня енергія така мала, що виявити їх присутність наявними зараз засобами неможливо.

Питання існування фону реліктових нейтрино має дуже важливе принципове значення. Якщо ці нейтрино мають, хай навіть дуже невелику, але кінцеву масу, то їх загальна маса може виявитися сумірною навіть більшою, ніж маса всіх відомих на сьогоднішній день об'єктів – зірок, туманностей та міжзоряного газу разом узятих. Можливо, маса цих нейтрино і є та прихована «темна матерія», недоступна для спостережень, але яка впливає своєю гравітацією на рух Галактик.

Якщо це так, то відповідно до загальної теорії відносності, розширення Всесвіту, яке ми зараз спостерігаємо, має рано чи пізно змінитися її стиском, яке потім зміниться новим розширенням. Все залежить від величини середньої густини речовини у Всесвіті. Відома в даний час середня щільність порядку 10^-29г/см³ знаходиться десь на границі між моделями Всесвіту, що безперервно розширюється, і пульсуючого Всесвіту. І можливо, що саме космічні нейтрино кинуть ту додаткову гирю, яка «перетягне ваги» і внесе певність у наші уявлення про еволюцію Всесвіту.

С.М. Левитський, доктор фізико-математичних наук, професор Київського національного університету імені Тараса Шевченка