Коротко

Новости

Подробно

2

Фото: Росинформ / Коммерсантъ

Ультрахолодные нейтроны 60 лет спустя

В 1959 году академик Яков Зельдович создал новое направление в нейтронной физике

от

Академик Яков Зельдович предложил способ удерживать в замкнутом пространстве медленные нейтроны. Это путь к улучшению Стандартной модели Вселенной и исследованиям темной материи.


Нейтроны — сравнительно крупные по атомным меркам частицы, но способны пронизывать препятствия, которые задерживают сравнимые с ними по размеру протоны и намного более мелкие электроны. Пронизывающая способность нейтронов не слабее, чем у гамма-лучей, то есть сильнее жесткого рентгена, защита из металлов ослабляет нейтронный поток даже хуже, чем гамма-излучение. Поэтому создать ловушку даже для медленных, низкоэнергетических (холодных нейтронов) долго не удавалось.

Поймать и сохранить в замкнутом пространстве физикам удалось только ультрахолодные нейтроны (УХН). Всю свою жизнь, которая у нейтрона длится несколько сотен секунд, УХН натыкаются на стенки своего узилища и отскакивают от них, как бильярдные шары, их можно было даже переливать из сосуда в сосуд по трубочкам, как воду.

Бутылка для нейтронов


В 1959 году в июньском номере англоязычной версии «Журнала экспериментальной и теоретической физики» (J. Exptl. Theoret. Phys. U.S.S.R.) академик Зельдович теоретически обосновал возможность удержать в замкнутом пространстве медленные нейтроны и описал принципиальную схему эксперимента, который предполагал охлаждение нейтронов жидким гелием и сбор их из реактора через графитовую перегородку с отверстием.

Девять лет спустя, в 1968 году, наловил и изолировал нейтроны профессор Федор Шапиро со своими сотрудниками в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. Согласно институтскому апокрифу, по завершении эксперимента молодежь из группы Шапиро подарила шефу запаянную консервную банку из-под зеленого горошка с этикеткой «Ультрахолодные нейтроны. Срок хранения — 14 минут».

Но в физике прижился другой метафорический образ — «бутылки с нейтронами», который нравился известному исследователю нейтронов Энрико Ферми. По словам его коллеги Бруно Понтекорво, Ферми в разговорах с ним часто мечтал о такой бутылке, что, наверное, можно понять: какой еще образ мог роднить души двух мужчин-итальянцев, беседующих о науке на чужбине.

Понтекорво вспоминал, что про заветную «бутылку Ферми» любил рассказывать и своим американским студентам на лекциях. Те, похоже, понимали своего профессора буквально. В результате сегодня о новых методах удержания ультрахолодных нейтронов в научных публикациях во всем мире так и пишут: «ultracold neutrons storage bottle» («бутылка для хранения ультрахолодных нейтронов»). Зельдовичу, который, собственно, и придумал «бутылку Ферми», такое сравнение не пришло в голову. Его статья назвалась скучно, в стилистике советского мясокомбината— «Storage of cold neutrons» («Хранение холодных нейтронов»).

Открытие №171


После эксперимента Шапиро его сотрудники стали кандидатами наук, сам Федор Львович Шапиро — членом-корреспондентом АН СССР. И все они, включая Якова Борисовича Зельдовича, стали соавторами открытия «Явления удержания медленных нейтронов», зарегистрированного под №171 в Государственном реестре открытий СССР.

Формула открытия была такой: «Теоретически предсказано и экспериментально установлено неизвестное ранее явление удержания медленных нейтронов внутри объемов, стенки которых обеспечивают полное внутреннее отражение нейтронов. Авторы: Я. Б. Зельдович, Ф. Л. Шапиро, А. В. Стрелков, В. И. Лущиков, Ю. Н. Покотиловский. Приоритет по двум датам: апреля 1959 года — теоретическое обоснование (в этот день в редакцию ЖЭТФ поступила статья Зельдовича.— С. П.), 29 октября 1968 года — экспериментальное доказательство (в этот день группа Шапиро опубликовала результаты своего эксперимента.— С. П.)».

Что касается теоретического обоснования, то мировой приоритет Зельдовича тут несомненен. Приоритетом эксперимента пришлось поделиться с группой Арнольда Штайерля из мюнхенской Высшей технической школы, которая успешно провела похожий эксперимент в том же 1968 году. Сам Штайерль до этого закончил докторантуру в Массачусетском технологическом институте, потом защитил диссертацию по итогам своего эксперимента с УХН на исторической родине и отбыл снова с США, в Род-Айлендский университет, где работает до сих пор, возглавляя группу экспериментальной нейтронной физики.

Цена нейтрона


Итак, 60 лет назад ученые нашли способ получать ультрахолодные нейтроны и хранить их сотни секунд, что для ученых-ядерщиков — целая вечность. Но зачем?

Для ученых — вопрос риторический. Однако эксперименты с УХН стоят дорого, и чем дальше, тем дороже, поэтому физикам все-таки приходится объяснять, на что тратятся деньги. УХН можно хранить десятки и сотни секунд, говорят физики, а это открывает уникальную возможность изучения самого нейтрона, а если конкретнее — открытия и измерения его электрического дипольного момента (ЭДМ). От этого зависит, смогут ли они, физики, расширить свою нынешнюю Стандартную модель мироздания, которая пока не способна объяснить суть темной материи, темной энергии и гравитации.

Сейчас исследования УХН развиваются в мире с очевидной конкуренцией национальных приоритетов: идет гонка, кто будет первым — американцы, европейцы, китайцы или мы. Если в 1980-х годах было только два центра — Петербургский институт ядерной физики (Гатчина) и Институт Лауэ-Ланжевена (Гренобль), где проводились исследования по поиску электрического дипольного момента нейтрона с помощью УХН, то сейчас их уже девять. Там, где будет создан наиболее интенсивный источник УХН, там и будет открыт ЭДМ нейтрона. А он должен быть рано или поздно открыт, ибо, согласно трем критериям возникновения Вселенной, сформулированным Андреем Сахаровым, электрический дипольный момент, отличный от нуля, должен существовать. Это столь же справедливо, как существование Вселенной, ни больше ни меньше.

Фундаментальная наука всегда ставит перед собой грандиозные цели, а путь ученых к их достижению напоминает путь к горизонту: по мере приближения к нему он удаляется на точно такое же расстояние. Практические результаты, иногда грандиозные, получаются у ученых в буквальном смысле этого слова попутно. Взять те же нейтроны.

Нейтрон был открыт сравнительно поздно, в 1932 году. Почти сразу выяснилось, что, облучая пучком нейтронов химические элементы, можно получать ранее неизвестные их изотопы. Среди ученых началось что-то вроде соревнования, кто больше наоткрывает изотопов. Здесь с большим отрывом лидировал Ферми. Но когда ученые добрались до самого тяжелого элемента, встречающегося в природном состоянии,— урана, тот вместо того, чтобы превратиться в ранее невиданный изотоп, распался. При этом даже на уровне считаных атомов урана выделилось столько энергии, что не надо было быть семи пядей во лбу, чтобы сообразить, что делать дальше. Сделали атомную бомбу.

В числе прочих и даже активнее прочих ученых делали бомбу Ферми, мечтавший о «бутылке для нейтронов», Зельдович, разработавший алгоритм создания такой бутылки, и Сахаров, указавший путь ее применения следующим поколениям физиков.

Сергей Петухов


Комментарии
Профиль пользователя