казалось, что он нарушает один из основополагающих законов физики. Разгадка тайны бета-распада заняла более 50 лет и потребовала от физиков провести серию экстраординарных подземных экспериментов, чтобы найти теоретическую новую частицу, которую, по мнению ведущих экспертов, невозможно обнаружить. Этой частицей было нейтрино: самая распространенная, но самая неуловимая частица во Вселенной.

С начала 1900-х годов эксперименты показали, что при бета-распаде образуются электроны с диапазоном самых различных энергий. В то время это не вызвало особого беспокойства, но после открытия атомного ядра у физиков возникли вопросы. Когда элемент подвергается бета-распаду, он не остается неизменным: элемент смещается на одно место вправо в периодической таблице. Это совсем не то же самое, что потерять электрон с атомной орбиты, поскольку это изменит только электрический заряд атома, а не тип атома. При бета-распаде ядро излучает электрон. Детальные измерения Джеймса Чедвика и его коллег показали, что бета-частицы имеют непрерывный характер энергий, варьирующийся от очень малой до практически максимальной энергии, по-видимому, случайным образом. Это проблема совершенно иного уровня: бета-распад нарушает самые основные принципы физики.

В атоме, подвергающемся бета-распаду, сначала присутствует один объект – атом. Далее два объекта – атом и электрон. Закон сохранения импульса, диктует, что кинетическая энергия, уносимая «снарядами» в простой системе из двух тел, подобной этой, должна принимать предсказуемое уникальное значение. Альфа– и гамма-излучения подчиняются этому закону, но при бета-излучении энергии случайны и непредсказуемы. Нарушение такого фундаментального научного принципа – верный признак того, что ваш эксперимент не удался или ваши измерения неверны. И все же, как бы ученые ни старались, любой, кто проводил такой эксперимент, не находил верного ответа.

У каждого физика было свое мнение на этот счет. Некоторые, как Нильс Бор, намеревались отказаться от идеи сохранения импульса или, по крайней мере, обойти ее, предположив, что в крошечных атомных масштабах энергия сохраняется только в среднем, а не при каждом отдельном распаде. Однако один теоретик, Вольфганг Паули, не смог так просто отказаться от этой тайны. Паули был хорошо известен своим критическим и рациональным подходом, так что ему даже дали прозвище «бич Божий». Его не устроило предложение голландско-американского физика Петера Дебая, который на встрече в Брюсселе предложил просто не думать о бета-распаде вообще. Паули был полон решимости придерживаться закона сохранения импульса и сумел найти теоретическое решение, но, к его ужасу, это сделало ситуацию еще хуже. «Я совершил ужасный поступок, – говорил он. – Я постулировал частицу, которую невозможно обнаружить».

Паули впервые изложил свою идею другим физикам в письме 1930 года. Возможно, предположил он, энергию уносит крошечная электрически нейтральная частица? Паули счел это настолько нелепым, что, как он писал своим адресатам, «он не смеет ничего публиковать» на эту тему и сначала обратится к своей «дорогой группе радиоактивных» и спросит, насколько вероятно найти экспериментальные доказательства существования такой частицы. Проблема, как хорошо знал Паули, заключалась в том, что такая частица, по прогнозам, не имеет массы и электрического заряда, что делало практически невозможным ее обнаружение в эксперименте.

В 1933 году идея Паули была воплощена в теории бета-распада Энрико Ферми, итальянского физика, которого уважали как за его теоретические, так и за экспериментальные навыки. Ферми назвал новую частицу нейтрино, или «нейтрончик», и представил теорию в журнале Nature. Ее отклонили на том основании, что в ней «содержались предположения, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя». Год спустя в Манчестере физики Рудольф Пайерлс и Ханс Бете подсчитали, что нейтрино, образующиеся при бета-распаде, могут проходить через всю Землю, никак не взаимодействуя с материей. Фактически они могут пройти через свинец толщиной, измеряемой в световых годах. Теоретически нейтрино могло бы решить проблему бета-распада, но какая польза от частицы, если ее невозможно обнаружить, а потому нельзя и проверить? Еще многие годы экспериментаторы так или иначе игнорировали нейтрино.

Все так и продолжалось еще в течение двух десятилетий. Наконец, в 1950-х годах тридцатитрехлетний физик решил заняться неуловимым нейтрино. Этим человеком был Фред Райнес, родом из маленького городка Нью-Джерси. Он едва закончил свою докторскую, когда начал работать над теоретической частью Манхэттенского проекта, и продолжал работать в Лос-Аламосе после войны. Интерес Райнеса к физике пригодился правительству, но, как и в случае многих его коллег, война использовала его знания для работы над атомным оружием. Райнес решил, что пришло время заняться чем-то более фундаментальным для физики. Спустя несколько недель, проведенных в офисе, он понял, что единственная идея, которая постоянно возвращается к нему, – это поиск нейтрино.

Как создать источник нейтрино? Как их обнаружить? Если бы Райнес построил правильный детектор, возможно, он смог бы доказать их существование. Быстрый расчет подсказал ему, что даже если бы он смог придумать необходимый детектор, вероятность взаимодействия нейтрино настолько мала, что детектор должен быть огромным. Лучше всего подошла бы какая-нибудь жидкость, но самые большие жидкостные детекторы в те дни были объемом около литра. (Это был 1951 год, и пузырьковая камера Дональда Глазера только создавалась, хотя она все равно не могла непосредственно обнаружить нейтрально заряженные нейтрино). Как сделать детектор с объемом в тысячу раз больше того, что считалось самым современным? Энрико Ферми тоже понятия не имел, как[203]. А уж если Ферми не может это сделать, как может кто-то другой? Это казалось невозможным, и на какое-то время Райнес отложил идею в сторону.

Вскоре после этого он застрял в аэропорту Канзас-Сити из-за неисправности двигателя самолета. Его коллега из Лос-Аламоса, Клайд Коуэн, тоже застрял. Коуэн был инженером-химиком и бывшим капитаном ВВС США и во время войны служил офицером связи. Там, где Райнес был искрометным экстравертом, Коуэн был более сдержанным, менее общительным, но блестящим экспериментатором. Они вдвоем бродили по аэропорту и беседовали, и когда Райнес предложил свою идею поиска нейтрино, Коуэн тут же за нее ухватился. Они решили отправиться на поиски нейтрино просто потому, что все говорили, что это невозможно. Их менеджеры в Лос-Аламосе согласились на диковинное предложение, и так родилось новое сотрудничество.

При запуске проекта в 1951 году была сделана фотография Райнеса и Коуэна с их командой из пяти человек, окруживших на лестничной клетке картонную вывеску. На ней был нарисованный от руки логотип с вытаращенным глазом и надпись «Проект “Полтергейст”». За вывеской один из участников зачем-то держал большую метлу. Все они в приподнятом настроении, как и следовало ожидать: их предложенный эксперимент включал в себя строительство огромного резервуара, наполненного чрезвычайно хорошо отфильтрованными и подготовленными жидкостями, тонкую электронику и надежду, что они смогут поймать частицу, считающуюся почти неуловимой.

Райнес