Опыт Homestake

Опыт Homestake был первой попыткой обнаружить нейтрино от Солнца. Реймонд Дэвис вёл его с 1968 по 1994 год в золотом руднике в Южной Дакоте. Он дал результат, который тридцать лет никто не мог объяснить, — и стал тем самым началом одного из самых плодотворных поисков ошибки в истории физики.

Задача

Вплоть до 1960-х годов ядерный синтез в недрах Солнца был хорошо обоснованной теорией, но никто никогда не наблюдал его непосредственно. Свет, доходящий до нас, идёт с поверхности; энергии понадобились десятки тысяч лет, чтобы туда добраться. О том, что происходит в ядре прямо сейчас, он не говорит.

Нейтрино — говорят. Они беспрепятственно покидают ядро и через добрых восемь минут уже здесь. Кто их считает, тот смотрит, как Солнце горит.

Джон Бакколл рассчитал, сколько их должно приходить. Задачей Дэвиса было их найти.

Устройство

Метод опирается на ядерную реакцию, которую предложил Бруно Понтекорво: электронное нейтрино превращает ядро хлора-37 в ядро аргона-37 и электрон. Порог составляет 814 килоэлектронвольт — достаточно высоко, чтобы регистрировались только редкие энергичные нейтрино из распада бора-8, то есть менее одного процента всех солнечных нейтрино.

Источником хлора служил перхлорэтилен, обычная чистящая жидкость. 615 тонн его стояли в стальном баке на глубине 1 478 метров, на горизонте 4850 футов рудника Homestake близ города Лид в Южной Дакоте. Скала над ним задерживает космические мюоны, которые иначе перекрыли бы любой сигнал.

Собственно трудность

Расчёт Бакколла давал, что в этом баке будет возникать примерно один атом аргона за двое суток. За измерительный цикл в два месяца набиралось, стало быть, несколько десятков атомов — в 615 тоннах жидкости, то есть среди примерно 10³⁰ других атомов.

Большинство специалистов считало это безнадёжным. Дэвис был химиком, а не физиком, и для химика это была не невозможная задача, а трудная.

Его метод: раз в несколько недель через бак продували гелий. Благородный газ уносит с собой столь же благородный аргон, а перхлорэтилен остаётся. Аргон вымораживали в холодной ловушке, переводили в крошечный счётчик и там регистрировали поштучно по его радиоактивному распаду. У аргона-37 период полураспада 35 дней — достаточно короткий, чтобы за несколько месяцев сосчитать почти всё, и достаточно долгий, чтобы пережить извлечение.

И этого мало: Дэвис доказал, что его метод действительно находит каждый атом. Он вводил в бак известное, крошечное количество аргона и извлекал его обратно. Выход превышал 90 процентов — положительный контроль, строже которого едва ли можно себе представить.

Результат, которого никто не хотел

С 1968 года появились числа. Дэвис находил примерно треть того, что рассчитал Бакколл.

Это был не пограничный результат, а зияющий разрыв. И напрашивающиеся объяснения лежали на поверхности: либо Бакколл считал неверно, либо Дэвис неверно измерял.

Оба десятилетиями всё перепроверяли. Бакколл всё дальше уточнял свою модель Солнца и добился её независимого подтверждения гелиосейсмологией — по колебаниям солнечной поверхности можно вывести внутреннее строение, вовсе без нейтрино. Дэвис повторял свои калибровки и проверял, не отзывается ли его бак, чего доброго, на что-то другое; среди прочего он поставил бак у ядерного реактора и, как и ожидалось, не нашёл там ничего, потому что реакторы испускают антинейтрино, а не нейтрино.

Оба не нашли ошибки. Потому что её не было.

Разрешение

Проблема солнечных нейтрино оставалась открытой до 2002 года. Затем Sudbury Neutrino Observatory показала, что недостающие нейтрино не исчезли, а лишь превратились — в сорта, на которые хлорный бак Дэвиса принципиально не мог отзываться.

Если сложить все три сорта, число Бакколла сходится.

Измерение Дэвиса, стало быть, с самого начала было верным. Оно лишь измеряло нечто иное, чем все предполагали, — и именно в этом состояло открытие.

Последействие

Дэвис получил в 2002 году Нобелевскую премию вместе с Масатоси Косибой. Ему было тогда 87 лет.

Само место нашло примечательное продолжение. В тех же штольнях сегодня создаётся дальний детектор DUNE — четыре модуля, вместе 68 000 тонн жидкого аргона. Там, где когда-то стоял один-единственный бак с чистящей жидкостью, в будущем будет решён вопрос о CP-нарушении.

Связанные понятия

• Реймонд Дэвис — руководитель
• Джон Бакколл — предсказание
• Проблема солнечных нейтрино — результат
• GALLEX и SAGE — преемники с более низким порогом
• DUNE — та же гора сегодня

Источники

• R. Davis Jr., D. S. Harmer, K. C. Hoffman: Search for Neutrinos from the Sun, Physical Review Letters 20, 1205 (1968).
• B. T. Cleveland и др.: Measurement of the Solar Electron Neutrino Flux with the Homestake Chlorine Detector, The Astrophysical Journal 496, 505 (1998).