Слово "нейтрино" происходит от итальянского, которое можно перевести как "нейтрончик", это уменьшительное от "нейтрон". Это стабильная незаряженная элементарная частица, долго считалось, что это частица с нулевой массой, теперь признано, что – с очень малой. Нейтрино участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино, всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино в паре с мюоном, и тау-нейтрино, связанное с тяжелым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу, отличающуюся от нейтрино знаком соответствующего лептонного заряда и спиральностью. Нейтрино имеют левую спиральность (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино – правую (спин направлен по направлению движения). Одним из перспективных направлений использования нейтрино является нейтринная астрономия, так как звезды кроме света излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звездной эволюции за счет нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии, то изучение свойств нейтрино помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать еще более удаленные астрономические объекты. Еще одним практическим применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. В ряде стран ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива. Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи, что привлекает интерес военных: частица теоретически делает возможной связь с подводными лодками, находящимися на глубине, или передачу информации сквозь Землю. Нейтрино, образующиеся в результате распада радиоактивных элементов внутри Земли, могут использоваться для изучения внутреннего состава Земли. Измеряя потоки геологических нейтрино в разных точках Земли, можно составить карту источников радиоактивного тепловыделения внутри Земли.
То есть у нейтрино нет электрического заряда, очень малая масса, они могут проходить сквозь Землю, как пуля сквозь туман, и они до сих пор остаются такими таинственными, что через полвека после их открытия мы все еще знаем о них меньше, чем о других частицах. Тем не менее в последние годы ученые стали подозревать, что именно они скрывают тайну отсутствия антиматерии во Вселенной.
Нейтрино – это материя или антиматерия? У них нет электрического заряда, как у протона или Z, но в отличие от этих бозонов, которые не являются ни материей, ни антиматерией, нейтрино – это фермион, а это означает, что к нему применимо уравнение Дирака и он имеет отношение к материи или антиматерии. Так что отличает нейтральный нейтрино от нейтрального антинейтрино?
В отличие от нейтрона и антинейтрона, которые отличаются внутренним строением из кварков или антикварков, у нейтрино нет внутренней структуры. Это блуждающий кусочек кружащегося ничего, который движется сквозь пространство почти со скоростью света. Легкое вращение – это почти все, что делает нейтрино, но этого достаточно, чтобы решить загадку материи или антиматерии. Квантовая теория также подразумевает, что нейтрино могут мгновенно превращаться в электрон и W, а антинейтрино могут аналогично превращаться в позитрон и W. Это позволило бы их различать – если бы мы могли это наблюдать практически, но наши возможности пока этого не позволяют. На протяжении 50 лет указанное вращение использовалось для того, чтобы отличать нейтрино, материю, от антинейтрино, антиматерии. Но в последние годы появилась теория, утверждающая, что в то время как фотоны (и другие бозоны) – это и не материя, и не антиматерия, тяжелые типы нейтрино – это и то и другое! Если такие странные вещи формировались в котле Большого взрыва, то их "потомство" сегодня должно быть в неравной степени распределено между тем, что мы называем материей и антиматерией.
Так откуда взялись нейтрино? Их производят некоторые формы радиоактивности. Когда протон в ядре превращается в нейтрон, изменение энергии материализуется как позитрон и нейтрино. Электрический заряд и общее число фермионов (под этим общим числом имеется в виду количество фермионов материи минус фермионы антиматерии) сохраняется. Вначале был один положительный заряд, который нес в себе протон, и в конце тоже имеется один положительный заряд. Общее число фермионов сохраняется, поскольку позитрон антиматерии уравновешивается нейтрино материи. И наоборот, когда нейтрон распадается, оставляя протон, появляются электрон и антинейтрино.
Если в дальнейшем нейтрино или антинейтрино столкнутся с материей, то выдадут себя, запустив обратный процесс. Нейтрино превращает нейтрон в протон, сопровождаемый электроном. Антинейтрино превращает протон в нейтрон, сопровождаемый позитроном.
Нейтрино могут вращаться, как электроны. Как мы знаем, у электронов есть электрический заряд, а благодаря своему спину они напоминают маленькие магниты. В своем полете они ориентируются или на Северный, или на Южный полюс. Мы можем представить это в виде штопора, который можно вращать в одну или другую сторону – вправо или влево, против часовой стрелки или по часовой. У нейтрино нет электрического заряда, но к нему применимо то, что мы сказали про спин – вращение может совершаться как по часовой стрелке, так и против.
В экспериментах, проводившихся на протяжении свыше 50 лет, казалось, что нейтрино вращается только по часовой стрелке, в то время как антинейтрино – наоборот. Это подобно стрелкам будильника – если мы посмотрим на их ход в зеркале, то покажется, что они идут вспять. Если мы посмотрим на нейтрино в зеркале, он поменяется на антинейтрино? Вначале нужно задать вопрос: а как нам узнать, нейтрино это или антинейтрино, кроме как по направлению вращения? Есть ли еще какой-то показатель, помогающий идентифицировать нейтрино как частицу, а антинейтрино как античастицу? Если такого показателя нет, то остается одно направление вращения. Или все-таки есть?
На этом этапе нужно задуматься о том, что мы имеем в виду под словом "античастица". Под обычной материей мы понимаем отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны. Положительная версия электрона называется "позитрон", а если бы отрицательная версия протона называлась "негатон", то они были бы просто двумя новыми частицами. Но называя их антиэлектроном и антипротоном и сосредоточивая внимание на их способности уничтожать свои вторые "Я", мы приходим в возбуждение от "антиматерии", и начинает работать воображение. Когда речь идет о нейтрино, мы имеем дело с частицами, не являющимися обычным делом в нашем материальном мире. Они пролетают мимо как призраки, редко обнаруживая себя, и определенно не попадают в ловушку внутри материи. Вместо того чтобы думать о нейтрино и антинейтрино как частях материи и антиматерии и определять, что есть что по их родству с электроном или позитроном, как обычно делалось, мы можем просто сказать, что имеем дело с нейтрино: при вращении по часовой стрелки он предпочитает электроны (нейтрино с левым спином), а при вращении против часовой стрелки – позитроны (нейтрино с правым спином).
На протяжении полувека считалось, что нейтрино не имеют массы и вращаются, как штопор, в пространстве со скоростью света. Однако в последние пять лет было обнаружено, что это не так. У нейтрино, которые были эмитированы в процессе обычной радиоактивности или в процессах ядерного распада в центре Солнца, имеется крошечная масса. Она так мала, что пока еще никому не удалось ее измерить. Но если бы у нас появились субатомные весы, то потребовалось бы по меньшей мере 10 000 нейтрино для уравновешивания одного электрона.
Это очень маленькая частица, но значение нейтрино может быть огромным. Теория относительности Эйнштейна подразумевает, что фермион, летящий со скоростью света, остается или вращающимся по часовой стрелке, или вращающимся против часовой стрелки, и вращение не может поменяться с одного на другое. Частицы, у которых есть масса и к которым, как мы теперь знаем, относится нейтрино, могут вращаться или влево, или вправо, и возможно, что в результате взаимодействия с другими частицами они могут изменить направление вращения, превратившись из частиц, вращающихся по часовой стрелке, в частицы, вращающиеся против. Так что для нейтрино возможно вращаться или по часовой стрелке, или против часовой стрелки. И то же самое относится к антинейтрино.
Открытым остается вопрос, следуют ли эти туманные сущности правилу "материя по часовой стрелке, антиматерия против часовой стрелки", или нейтрино является одновременно материей и антиматерией в том смысле, что нейтрино и его античастица неразличимы. На эту возможность указал Этторе Майорана вскоре после появления уравнения Дирака. Майорана предложил протон-нейтронную модель атомного ядра и изучал обменные ядерные силы. В 1937 году Майорана сформулировал двухкомпонентную теорию, предсказал существование так называемых фермионов Майораны – частиц, одновременно являющихся собственными античастицами. Впервые они были обнаружены только в 2012 году. В физике частиц в наши дни одной из самых интересных тем является использование природой "нейтрино Майораны". Это может сыграть важную роль в объяснении происхождения Вселенной, в которой доминирует материя.
Этторе Майорана (род. в 1906 году) – итальянский физик-теоретик, работавший в теории нейтрино. Гениальный ученик Э. Ферми. В 1937 году сформулировал двухкомпонентную теорию, предсказал существование частиц, одновременно являющихся собственными античастицами (впервые они были обнаружены лишь в 2012 году). Бесследно исчез
Если бы у нейтрино не было массы, они все равно оставались бы таинственными, но тем не менее подпадали бы под общее описание частиц и сил, которое называется "Стандартной моделью". Различные версии стали строиться при попытке понять, почему у нейтрино такая маленькая масса, практически равная нулю в сравнении с электроном и позитроном. Есть теория о том, что в дополнение к известным легким нейтрино существуют еще и очень массивные нейтрино Майораны, которые еще предстоит открыть. Для гипотетических частиц даже придумали название – майороны.
Если это так и сегодня майороны просто остаются вне пределов нашей досягаемости, то они были созданы во время Большого взрыва вместе со всем остальным. Это может иметь поразительные последствия для природы нынешней Вселенной.
Если майороны вымерли, то в современной Вселенной находится их потомство. Теоретически майорон – это массивный нейтральный фермион, который может излучать энергию в форме бозона Хиггса и превращаться в нейтрино или антинейтрино. Может получаться три типа нейтрино или соответствующих антинейтрино, и нет оснований считать, что майорон распадется на нейтрино и антинейтрино в равной степени. Это предполагает, что майороны выжили в апокалипсисе Великой Аннигиляции и кое-что оставили нам после себя.
Сразу же после Большого взрыва, когда Вселенная еще была очень горячей, майороны должны были находиться в термическом равновесии – они постоянно формировались и распадались. Однако Вселенная стала быстро остывать, и наступил момент, когда энергии стало недостаточно для формирования новых майоронов, и умирающие больше не заменялись новыми. Майороны вымерли и никогда больше не появились снова, но выжило их потомство. Это неуравновешенная популяция нейтрино и антинейтрино, которые сформировались как "ископаемые останки" умерших майоронов.
Это был важнейший первый шаг для производства нейтрино. Затем, немного позже, в охлаждающейся Вселенной из энергии сформировались кварки и антикварки, электроны и позитроны. Дополнительные кварки и антикварки формировались в процессе столкновения нейтрино и антинейтрино с электронами и позитронами. А вскоре стало слишком холодно для формирования еще большего количества. Так какой вклад внесли майороны? Их гибель привела к рождению дисбаланса между нейтрино и антинейтрино. Затем мириады частиц и античастиц ударялись об асимметричную смесь нейтрино и антинейтрино – и таким образом получились лишние кварки, количество которых превышает количество антикварков.
Затем Великая Аннигиляция уничтожила всю антиматерию вместе с уравновешенной с нею материей. Потомство майоронов сформировало кривобокую Вселенную, в которой осталась горсточка лишних кварков на каждые 10 миллиардов кварков и антикварков, которые исчезли. Выжившие охладились для формирования Вселенной с доминирующей материей, в которой протоны стабильны и существует та материя, которую мы знаем.
На сегодняшний день это – лучшая теория, объясняющая асимметрию между материей и антиматерией. Во время новых экспериментов в Большом адронном коллайдере ученые будет искать доказательства существования майоронов, уже ведется их поиск в космическом излучении. Но пока майороны не найдены и теория хотя и приводит в возбуждение, но остается недоказанной. Ясно, что асимметрия между материей и антиматерией возникла, когда Вселенная была моложе и горячее, чем могут смоделировать современные аппараты. И не будем забывать, что цель изучения антиматерии – это получение нового источника энергии.
Заключение
Миллиарды лет назад энергия превратилась в материю и антиматерию. На Земле она остается пойманной в ловушку в материи на протяжении этих миллиардов лет. Люди научились высвобождать небольшую ее часть из химических веществ и ядер атомов урана. Из некоторых видов материи энергию получать проще, чем из других. Фактически нам нужна эффективная искра. Идеальной была бы антиматерия, поскольку одно ее прикосновение высвобождает всю энергию из того, чего она касается. Но проблема в том, что антиматерии давно нет во Вселенной, так что до того как использовать ее пиротехнические свойства, нам нужно научиться самим ее изготавливать. И тут мы сталкиваемся с ограничениями, наложенными природой.
Фундаментальная истина состоит в том, что создание антиматерии из энергии через Е = mc всегда дает равные количества обычной материи и антиматерии. Если вы снова соедините их, произойдет аннигиляция, и вы можете получить энергию назад, если ничего не потеряете. На практике теряется большое количество, но даже если мы сможем сделать процесс очень эффективным, то никогда не сможем получить больше, чем вложили. Дело не в том, что нужно провести дополнительные исследования или создать более совершенную и продвинутую технологию для обхода этих ограничений. Это закон или природа природы. Антиматерия может стать практическим источником энергии, если мы вначале найдем где-то большие ее количества, аналогичные нефтяным месторождениям на Земле.
Единственным намеком на существование антиматерии где-то во Вселенной является падение "Тунгусского метеорита", о котором мы рассказали в начале книги, – если мы верим в то, что в 1908 году по Земле ударил кусок антиматерии.
Я смотрю на растения, которые растут у меня в саду, но не вижу, как атомы углерода и кислорода вытягиваются из воздуха и превращаются в листья, и я не вижу, как каша, которую я съел за завтраком, превращается в меня, а вы не видите, как ваш завтрак превращается в вас. Молекулы перестраиваются, атомы выполняют свою работу, энергия высвобождается. Еда, которую вы съели несколько часов назад, превращается в вас и в отходы, но также производит энергию для жизни и для поддержания температуры вашего тела. Температура тела – результат химических реакций. Это работает формула Эйнштейна: Е = mc. Небольшое количество массы (m) из вашей еды теряется, когда еда трансформируется и превращается в энергию (Е) при скорости превращения, равной возведенной в квадрат скорости света (с). Если говорить в процентном соотношении, то разница в весе между едой, добавленной к вам, и тем количеством, которое в дальнейшем выйдет из вас в виде экскрементов и пота, очень мала, это одна миллиардная, или микрограмм. Ее очень сложно измерить. Но преобразование одной миллиардной массы в энергию лежит в основе химии, биологии и жизни. Это также источник мощи пороха и химических взрывчатых веществ. Эти процессы включают электроны в удаленных от ядер частях атомов. Однако гораздо большие количества энергии доступны в атомном ядре. Если брать количество энергии, высвобожденное ядром, то оно получается в десять миллионов раз больше, чем высвобожденное электронами.
Так что, в то время как химические реакции высвобождают одну миллиардную долю энергии, пойманной в ловушку в материи, ядерные реакции высвобождают до одного процента. Если мы сможем преобразовывать бо́льшие количества материи в энергию, то и наши амбиции будут параллельно расти. В принципе мы могли бы высвобождать все латентные mc, заключенные в материи, в энергию. Это то обещание, которое дает антиматерия.
Мощь химических веществ появляется потому, что несмотря на очень малое количество энергии, высвобождаемое каждым отдельным атомом, в каждом грамме насчитывается до 10 атомов, и каждый из них может внести свой вклад. Ядерные процессы точно так же используют большие количества урановой руды, которую можно извлечь из Земли и подвернуть процессу обработки. Природа заперла энергию в атомах миллиарды лет назад, а теперь мы можем высвободить один процент из триллионов и триллионов атомов. В случае антиматерии такой возможности нет. Насколько нам известно, она вся была уничтожена 14 миллиардов лет назад. Если вы хотите использовать антиматерию, то вначале должны изготовить каждую античастицу, а это очень неэффективный процесс. Это фундаментальное ограничение природы: хотя общая энергия законсервирована в любом процессе производства, количество полезной энергии снижается из-за трения и общих потерь. Следовательно, из-за этих потерь только очень малое количество используемой энергии в конце концов оказывается в частицах антиматерии. В результате получается, что требуется гораздо больше энергии для изготовления, чем может быть получено при последующей аннигиляции.
Предположим, мы хотим получить несколько граммов антиматерии – для межгалактических полетов, для источника энергии, для того, чтобы что-то разбомбить – для любой цели. Тут же встают вопросы – как ее получить, как хранить и из чего она должна состоять? Никаких специальных процессов, как в случае тротила или бензина, не требуется. Энергию высвобождает аннигиляция, так что подойдет любая самая простая антиматерия. Нам придется ее изготавливать по античастице и антиатому за раз. Проблема в том, как лучше всего собрать необходимое количество антиматерии для хранения. Именно на этом этапе реальность и природа начинают разрушать мечту, созданную научной фантастикой. Чтобы изготовить один грамм антипротонов, требуется почти триллион триллионов частиц. Чтобы изготовить один грамм позитронов, требуется еще в две тысячи раз больше. Это огромные количества. Чтобы позволить вам их представить, приведем кое-какие данные.