Нейтрино появилось в науке как умозрительное дитя физика-теоретика Вольфганга Паули. Он ввел в обиход нейтрино, пытаясь «спасти» закон сохранения энергии при бета-распаде. Причем «умозрительность» нейтрино, которое не должно было иметь ни электрического заряда, ни массы (так же, как и фотон), была настолько мучительной для самого автора открытия, что он признался своему другу астроному В. Бааде: «Сегодня я сделал нечто кошмарное. Физику-теоретику непозволительно так поступать ни в коем случае. Я выдумал частицу, которую никогда нельзя будет обнаружить экспериментально». Действительно, шансы зарегистрировать частицу, не имеющую ни заряда, ни массы, тогда, в 1930 году, казались минимальными. Тем не менее Бааде предложил другу пари на бутылку шампанского, что еще при их жизни нейтрино можно будет увидеть. И он выиграл это пари. В 1956 году американцы Ф. Рейнес и К. Коуэн во время эксперимента «Полтергейст» на реакторе ядерного комплекса «Саванна Ривер Сайт» в Южной Каролине сумели достоверно зарегистрировать одну из разновидностей нейтрино. Телеграмма с известием об этом была отправлена Паули в Европу. Угощая друзей шампанским, В. Паули, нобелевский лауреат 1945 года, еще не знал, что пьет и за здоровье будущего нобелевского лауреата 1995 года Ф. Рейнеса, премированного именно за экспериментальное открытие нейтрино. К. Коуэн, к сожалению, не дожил до этого дня.
Сети для невидимкиНейтрино – электрически нейтральная стабильная элементарная частица с массой покоя, близкой к нулю. Главная ее особенность состоит в том, что она, достаточно легко рождаясь в самых разнообразных ядерных реакциях, категорически не хочет умирать, вступая во взаимодействие с другими элементарными частицами. А без превращения нейтральной частицы, летящей практически со скоростью света, во что-то более «визуальное» обнаружить нейтрино невозможно. Вариантов такой «визуализации» невидимки теоретически достаточно много, но на практике все оказывается сложнее.
Первый тип реакций с участием нейтрино зарегистрировали ученые Рейнес и Коуэн в 1956 году. Это был «обратный» бета-распад, где реакторное антинейтрино, взаимодействуя с протоном, порождало нейтрон и позитрон. Созданная для исследований установка «Полтергейст» состояла из чередующихся баков с водой (200 л) и жидким сцинтиллятором (1 400 л). Ноу-хау метода состояло в том, что сначала регистрировали аннигиляцию позитрона и электрона, а вместе с ней через несколько микросекунд реакцию с участием нейтрона. Другие события не давали такой «сдвоенной» картинки. Так удалось добиться «отсечения» фона и обнаружить частицу, введенную Вольфгангом Паули в число элементарных еще в 1930 году.
Второй тип реакций для регистрации нейтрино предложил в 1946 году, еще до своего переезда в СССР, итальянец Бруно Понтекорво. В качестве мишени для нейтрино он рекомендовал жидкость, содержащую атомы хлора-37. При взаимодействии с нейтрино хлор должен был превращаться в аргон-37, который можно обнаружить по его радиоактивному распаду. Американский ученый Реймонд Дэвис, нобелевский лауреат 2002 года, первым применил этот метод в экспериментах с реакторными и солнечными нейтрино.
Позднее физики стали использовать реакцию превращения галлия-71 в германий-71 при взаимодействии с нейтрино. Германий также был радиоактивен с достаточно коротким периодом полураспада в 11 дней. Для осуществления эксперимента, например, на российской астрофизической станции на Кавказе в Баксанском ущелье, вблизи Эльбруса, потребовались десятки тонн чрезвычайно дорогого галлия.
Естественным кандидатом на роль среды-детектора стала вода, начиная со специально очищенной – в искусственных бассейнах и баках и заканчивая Мировым океаном. Идея подводной регистрации нейтрино по черенковскому излучению в естественных водоемах быстро завоевала сторонников и в СССР, и в США. В период «оттепели» 70-х годов интенсивно начались совместные работы. Американцы решили использовать глубокие воды Тихого океана вблизи острова Гавайи, а отечественные ученые – уникальную пресноводную жемчужину – глубокие воды озера Байкал. К сожалению, наметившееся тесное сотрудничество советских и американских физиков по нейтринным телескопам на основе эффекта Вавилова – Черенкова прервалось после ввода советских войск в Афганистан.
Почему же детекторы нужно было разместить достаточно глубоко – не менее чем на 1 км? Во-первых, следовало уменьшить помехи от космических лучей, во-вторых, защититься от солнечного света, в-третьих, уйти из зоны активной подводной жизни (например, от люминесцирующих организмов), которая также способна создавать помехи для измерений. Большие опасения в тот начальный период вызывал вопрос: достаточна ли прозрачность воды для наблюдений черенковского излучения на больших расстояниях? Оказалось, что прозрачность океанских глубин в 4 раза больше, чем ожидалось. Также благополучно разрешилась проблема прозрачности и для Байкала. Любопытно, что тогда, в середине 70-х годов, никто не стал рассматривать возможность использования ледяного детектора, так как все были уверены, что его прозрачность будет недостаточной.
Морские проекты