Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Эта Киля – настоящая звезда-колосс, даже по звездным меркам достигающая невероятных размеров. Она как минимум в 100 раз массивнее нашего Солнца и является еще одним вероятным кандидатом на превращение в сверхновую. Звезда, расположенная примерно в 7000 световых лет от нас, – причудливый и переменчивый объект. За последние несколько веков яркость этой звезды неоднократно и очень резко изменялась. В 1843 г. Эта Киля стала одной из ярчайших звезд ночного неба – ее даже ошибочно приняли за сверхновую – и пылала так на протяжении 20 лет. Этот эпизод сопровождался мощным взрывом, при котором звезда потеряла обширные внешние слои, а вместе с ними – десятую часть своей массы. В настоящее время из извергнутого ею вещества образовались две гигантские газовые туманности, немного напоминающие два воздушных шара, между которыми сияет звезда. Несомненно, Эта Киля стремительно приближается к славной гибели. Вполне вероятно, что следующий взрыв станет последним в ее истории. Учитывая, как тяжела эта звезда, на месте ее останков должна образоваться черная дыра. Если в обозримом будущем Эта Киля взорвется и станет сверхновой, то детекторы на Земле зафиксируют около полумиллиона нейтрино.

Итак, по всей видимости, в ближайшем будущем Бетельгейзе или Эту Киля настигнет феерический конец, но мы не можем рассчитать, когда именно произойдет такое событие. По астрономическим меркам этот момент вполне может наступить и через несколько сотен тысяч лет. При этом довольно велика вероятность, что в ближайшие несколько десятилетий где-то в нашей Галактике взорвется какая-нибудь массивная звезда. Алекс Фридленд признался: «Если бы мне предложили поставить деньги на то, что произойдет раньше – взорвется следующая сверхновая или в США построят новый крупный ускоритель частиц, – то я, пожалуй, выбрал бы сверхновую». Даже если сверхновая окажется настолько далеко от Земли, что мы не сможем разглядеть ее сквозь пыльный шлейф Млечного Пути, этот взрыв оставит ярчайший след в нейтринных детекторах по всему миру. Это будет сенсационное, эпохальное событие в истории охоты на нейтрино – физиков ждет просто невиданный праздник.

Всем нам доводилось смотреть по телевидению научно-популярные передачи, в которых выступают астрономы и красноречиво рассуждают о почти полной пустоте космоса. Да, конечно, в этом неизмеримо огромном пространстве существуют галактики, звезды, планеты и люди, поэтому совершенно пустым местом космос не назовешь. По иронии судьбы физикам этот очевидный факт кажется настоящим чудом – ведь Вселенная действительно могла образоваться без единой крупицы материи. В настоящее время ученые пристально изучают нейтрино, чтобы понять, каким образом Вселенной удалось избежать столь неприглядной участи.

В момент, когда космос образовался в результате Большого взрыва, высвободилось колоссальное количество энергии. Новорожденная Вселенная была компактной, густой и жаркой. Она просто изобиловала энергией, которая пошла на спонтанное образование пар частица – античастица. В тот период плотность космоса была столь высока, что эти парные частицы должны были постоянно сталкиваться и самоуничтожаться, оставляя после себя лишь море излучения. Поскольку материя во Вселенной все-таки сохранилась, ученые полагают, что изначально существовал небольшой избыток вещества по сравнению с антивеществом. Удалось примерно высчитать величину этого избытка: на каждый миллиард античастиц должно было приходиться по миллиарду и одной соответствующей частице. Все тела в современной Вселенной – в том числе и мы с вами – существуют исключительно благодаря этому крошечному перевесу материи, сложившемуся в начале времен.

Итак, как же возник небольшой перевес вещества над антивеществом? Этот вопрос является одной из наиболее фундаментальных и в то же время самых трудноразрешимых проблем физики частиц. Для его решения за последние несколько десятилетий была проделана огромная теоретическая работа, а также поставлено изрядное количество экспериментов. Физики размышляют, удастся ли разгадать эту глубокую тайну в рамках Стандартной модели или же придется формулировать совершенно новую теорию о природе материи. До сих пор Стандартная модель с завидным успехом позволяла объяснять окружающий мир во всем его разнообразии всего лишь как систему взаимодействий немногочисленных разновидностей элементарных частиц и соответствующих им античастиц. Стандартная модель описывает различные взаимодействия между этими частицами как обмен «переносчиками взаимодействий» – например, фотонами. Бесчисленные эксперименты с невероятной точностью подтверждают все постулаты Стандартной модели. Но причина, по которой в космосе сложилась такая диспропорция между веществом и антивеществом, остается камнем преткновения этой модели. Эдвард «Рокки» Колб, ученый из Чикагского университета, полагает, что «такая асимметрия действительно может означать, что законы природы не ограничиваются Стандартной моделью». Колб считает, что именно поэтому специалисты по физике частиц так отчаянно стремятся разрешить парадокс, связанный с практически полным отсутствием антивещества. Все новые факты указывают, что секрет этой космической интриги каким-то образом связан с нейтрино или как минимум с их более массивными аналогами, существовавшими в первозданной Вселенной.

Попробуем разобраться в природе этого парадокса. Для начала вспомним, что в атомах содержатся элементарные частицы, относящиеся к двум большим семействам: барионам и лептонам. Барионы – в частности, протоны и нейтроны – состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Кварки делятся на шесть типов, также именуемых ароматами. Кварки удерживаются вместе благодаря сильному ядерному взаимодействию. Кроме того, каждый кварк обладает барионным числом, зарядом и «цветом». Лептоны же сами по себе являются фундаментальными частицами: они неразложимы на более мелкие составляющие. Электроны и нейтрино относятся к семейству лептонов. Каждый лептон обладает лептонным числом и зарядом.

Согласно Стандартной модели, каждая фундаментальная частица имеет соответствующую античастицу, обладающую такой же массой, как эта частица, но противоположным зарядом и спином. Например, электрон и позитрон имеют одинаковую массу, но заряд электрона равен –1, а заряд позитрона +1. Кварки, объединяясь, образуют барионы; точно так же антикварки могут объединяться и образовывать антибарионы. Когда вещество вступает в контакт с антивеществом, происходит их аннигиляция, которая сопровождается выделением фотонов. Согласно законам Стандартной модели, при взаимодействиях частиц сохраняется барионное число и лептонное число; иными словами, «на входе» и «на выходе» общее количество барионов и лептонов не должно изменяться. Но если бы эти правила полностью соблюдались, то нас бы просто не существовало! В определенный период на самых ранних этапах развития Вселенной происходили какие-то реакции, которые не полностью подчинялись описанным правилам. Именно поэтому возник такой переизбыток антивещества над веществом, который мы наблюдаем в настоящий момент.

Начало истории об антивеществе положил Поль Дирак, которого Стивен Хокинг в свое время назвал «пожалуй, самым великим британским физиком со времен Ньютона». Дирак родился в 1902 г. в городе Бристоле на юго-западе Англии в семье эмигрантов из Швейцарии. Отец Дирака работал учителем французского языка, а мать была библиотекарем. Молодой Дирак не ладил с отцом, поскольку тот был довольно суров и требовал от детей, чтобы те разговаривали с ним только по-французски. Из-за таких авторитарных манер отца детство Дирака было не радужным. Как он впоследствии признавался, «ребенком мне так и не довелось узнать, что такое любовь и сочувствие». Окончив курсы по электротехнике и математике в Бристольском университете, Дирак взялся за докторскую диссертацию в Кембридже, где впоследствии занял пост профессора. Странные привычки Дирака стали притчей во языцех. Субраманьян Чандрасекар, физик индийского происхождения, учившийся у Дирака, рассказывал, что профессор мог «крадучись пробираться по улицам, держась поближе к стенам домов, словно вор». Дирак увлекался альпинизмом, и знакомые иногда замечали, как он карабкается по дереву в окрестностях Кембриджа – причем в том самом черном костюме, в котором читал студентам лекции, словно сразу после занятий собирался на очередное восхождение. Несмотря на такую эксцентричность, он оставался примерным семьянином, любил кататься на велосипеде, плавать и сплавляться на каноэ вместе с детьми.