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

Мало того, что антивещество очень сложно получить в лабораторных условиях; оно еще и почти не встречается в природе. По-видимому, современная Вселенная практически полностью состоит из вещества. Откуда нам известно, что антивещества во Вселенной совсем мало? Во-первых, мы можем быть практически уверены, что антивещество отсутствует в Солнечной системе. Ведь астронавты, высаживавшиеся на Луне, а также автоматические зонды, которые мы уже запускали к различным планетам, астероидам и кометам, не аннигилировали при посадке. Частицы солнечного ветра не аннигилируют при попадании в земную атмосферу; соответственно, Солнце состоит из вещества, точно как и Земля. В высокоэнергетических космических лучах, прилетающих из отдаленных районов Млечного Пути и ежедневно бомбардирующих Землю, на каждые 10 000 протонов приходится примерно 1 антипротон: значит, во всей нашей Галактике нет сколько-нибудь существенных объемов антивещества. Также крайне маловероятно, что из антивещества могут состоять другие галактики, поскольку если бы подобные антигалактики действительно существовали, то мы должны были бы наблюдать сильные всплески гамма-излучения всякий раз, когда такая антигалактика взаимодействует с обычной, состоящей из вещества.

Некоторые ученые пытались непосредственно определить, насколько редко антивещество встречается во Вселенной. Сэмюэл Тинг, специалист по физике частиц из Массачусетского технологического института (а также его коллеги), сконструировал прибор, который назвал «альфа-магнитный спектрометр» (AMS). В этом устройстве применяется огромный сверхпроводящий магнит и шесть сверхчувствительных детекторов, выискивающие ядра антигелия в космических лучах. Прототип спектрометра Тинга в 1998 г. был выведен на орбиту на борту шаттла Discovery под эгидой NASA. Прибор обнаружил миллионы ядер гелия, но ни одного ядра антигелия. Позже астронавты поставили полномасштабный эксперимент на оборудовании, которое в тысячу раз превосходило по чувствительности этот прототип. Работа была выполнена на международной космической станции в 2011 г. в ходе последнего полета шаттла Endeavor[35].

Ученые не одно десятилетие размышляли о том, почему же в природе присутствует столь мизерное количество антивещества – почему симметрия нарушается на таком базовом уровне. Концепция симметрии играет в науке важнейшую роль, и не менее принципиальное значение имеют законы сохранения. Еще в 1915 г. выдающаяся немецкая исследовательница математик Эмми Нётер первой осознала, что между феноменами симметрии и сохранения существует тесная связь. Несмотря на то что Нётер происходила из семьи математиков, в те годы женщине было нелегко заниматься наукой, приходилось бороться за это право. Девушка не имела возможность официально поступить в Университет Эрлангена (в этом городе родилась Эмми), поэтому она ходила на лекции вольнослушательницей, что не помешало ей блестяще сдать экзамены. Позже университет отменил подобные ограничения для студенток, но Нётер, хотя и получила докторскую степень с высшим баллом, все равно долго не могла устроиться на преподавательскую работу.

Эмми Нётер

(Science Photo Library)

Когда Нётер смогла выдвинуть свою кандидатуру на пост приват-доцента в Гёттингенском университете, один из сотрудников факультета протестующе заявил: «Что только подумают наши солдаты, когда вернутся с фронта в университет и будут вынуждены заниматься у ног женщины?!» Знаменитый математик Дэвид Гильберт – один из сторонников избрания Нётер – пришел в ярость от такой дискриминации и парировал: «Не понимаю, почему пол кандидата служит доводом против нее… ведь здесь университет, а не баня!» Но ему не удалось переубедить коллег, и Нётер была вынуждена довольствоваться должностью приглашенного преподавателя. После того как к власти пришел Гитлер, Нётер оказалась в числе первых преподавателей еврейского происхождения, потерявших работу и вынужденных бежать из страны. Она переехала в США в 1933 г. и получила профессорский пост в колледже Брин-Мор, штат Пенсильвания. Сегодня существует престижная студенческая стипендия для молодых исследователей, присуждаемая Немецким научно-исследовательским обществом, которая названа в честь Нётер.

Вскоре после прибытия в Гёттинген Нётер занялась изучением некоторых аспектов эйнштейновской общей теории относительности, опубликованной незадолго до этого. Нётер поняла, что симметрия подразумевает закон сохранения, и наоборот. Она предположила, что если в природе наблюдается та или иная симметрия или регулярность, то существует и закон, отвечающий за ее сохранение. Например, тот факт, что законы физики не изменяются с течением времени (в научной терминологии это явление называется «инвариантность»), подразумевает существование закона сохранения энергии. Действительно, когда бы вы ни бросили монетку с балкона – завтра или три недели назад, она упадет на землю с одним и тем же ускорением. Верно и обратное: поскольку в природе действует закон сохранения энергии, законы физики симметричны относительно времени. Открытие Нётер было настолько фундаментальным, что сегодня описанная ею закономерность называется «теорема Нётер». Лауреат Нобелевской премии по физике Леон Ледерман и Кристофер Хилл, его коллега по лаборатории Fermilab, писали в книге «Симметрия и прекрасная Вселенная» (Symmetry and the Beautiful Universe), что это «одна из важнейших когда-либо доказанных математических теорем, определивших развитие современной физики, сопоставимая, пожалуй, только с теоремой Пифагора».

Причина, по которой Ледерман и Хилл поверили в такую важность теоремы Нётер, во многом связана с нашими фундаментальными понятиями о природе, в частности, о субатомном мире. Возьмем, к примеру, мюон – распадаясь, эта частица испускает электрон вправо. По закону симметрии распадающийся антимюон должен испускать позитрон влево. Физики именуют этот феномен пространственной четностью, или P-симметрией. Теорема Нётер предполагает, что при взаимодействиях элементарных частиц должна сохраняться четность, а также другие их свойства – в частности, заряд (физики говорят «C-симметрия») и энергия. Однако стандартная модель допускает, что такие правила симметрии могут время от времени нарушаться; это явление называется «нарушение соответствующей симметрии». Так, иногда антимюон при распаде может испускать частицу вправо, то есть «действовать не по правилам»

Физики Джеймс Кронин и Вал Фитч, оба работавшие в Принстонском университете, а также их коллеги впервые наблюдали нарушение CP-симметрии[36] в 1964 г. на синхротроне в Брукхейвенской национальной лаборатории, расположенной на острове Лонг-Айленд в штате Нью-Йорк. Они обнаружили, что электрически нейтральные частицы, именуемые каонами или К-мезонами, могут превращаться в парные им античастицы и наоборот, однако вероятность перехода в первом и втором направлении отличается. В сущности, они открыли, что в природе действительно отсутствует равновесие между веществом и антивеществом. Правда, этот эффект был едва заметен и совершенно не мог объяснить наблюдаемого преобладания вещества над антивеществом. С тех пор физики занимаются поиском других примеров нарушения зарядовой четности, которые проявлялись бы в более серьезных масштабах. Два наиболее точных эксперимента были запущены в 1999 г. Один из них называется «BaBar» и проводится на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) в Калифорнии. Второй именуется «Belle», он осуществляется в японской лаборатории KEK. На этих «B-фабриках» физики сталкивают электроны и позитроны на субсветовых скоростях. В результате образуются целые ливни нейтральных элементарных частиц, B-мезонов, которые за считаные триллионные доли секунды распадаются на множество еще более экзотических частиц. За более чем десятилетний срок этих экспериментов ученым удалось зафиксировать миллиарды подобных актов распада и значительную асимметрию в частоте распада B-мезонов и анти-B-мезонов – асимметрия оказалась даже более выраженной, чем предполагалось. Это наиболее серьезный случай нарушения CP-симметрии, известный в настоящее время, но и он далеко не объясняет, почему во Вселенной наблюдается значительная асимметрия между веществом и антивеществом. Поэтому поиск более мощных источников асимметрии продолжается. В 2011 г. был запущен новый эксперимент, направленный на поиск иных случаев нарушения CP-симметрии; он проводится на Большом адронном коллайдере института CERN. Большой адронный коллайдер – крупнейший в мире ускоритель частиц, установленный в кольцевидном туннеле длиной около 27 км, находится близ французско-швейцарской границы.