Чтение онлайн

Где же он, распад протонов?

Некоторые из ранних моделей ВТУ предсказывали, что протон живет примерно 10–3231 лет. Это очень-очень долго. Гораздо больше возраста Вселенной, поэтому вы вправе предположить, что физики, которые выдвинули эти модели, просто взяли наугад протон-долгожитель и решили, что все равно никто не проживет настолько долго, чтобы опротестовать их нобелевский банковский счет.

К счастью, нам не нужно брать протончик, класть его на стол и ждать, когда он превратится во что-нибудь другое, – у нас есть методы и получше. В 1980-х годах ученые поняли, что для этого нужно построить гигантские подземные бассейны со сверхчистой водой [146] . Главная цель таких экспериментов – посмотреть, распадется ли хоть один протон в бассейне, если оставить его в покое. Если да, то заряженные частицы, создавшиеся при распаде, промчатся по бассейну и испустят излучение, которое будет зафиксировано детекторами. Поскольку протонов много, разумно предположить, что, если наблюдать достаточно долго, хоть один да покинет сию юдоль скорби.

Что-то подобное мы видели в главе 3, когда говорили о космическом генераторе случайных чисел. Представьте себе, что протон и в самом деле живет 10 лет. Это значит, что каждый год космический генератор случайных чисел бросает игральную кость, у которой 103131 граней, по одному разу на каждый протон в бассейне. Если у генератора выпадет единичка, соответствующий протон распадается. «Супер-Камиоканде» находится в шахте Моцуми неподалеку от японского города Хида, эксперименты подобного рода идут уже 25 лет, и еще ни разу не было засвидетельствовано ни одного распада [147] .

Это хорошие новости, поскольку отрицательный результат означает, что в обозримом будущем нам не придется спонтанно распадаться на высокоэнергичные частицы. С другой стороны, это плохие новости для некоторых ВТУ, поскольку теперь их можно легко опровергнуть. В наши дни остается все меньше и меньше моделей, соответствующих все более и более долгой минимальной жизни протонов, но многие из них предполагают примерно 10 лет. Учитывая, насколько мы близки к точному определению этого периода, стоит ли удивляться, что мы уверены, будто определим его совсем скоро?

Обсуждая кандидатов на роль темной материи, мы поговорили и о нейтрино и тут же отмели его. «Легковат», – сказали мы. Если бы вы спросили нас, какова на самом деле масса нейтрино, мы бы начали ерзать и опускать глаза. Попросту говоря, мы не знаем, а долгое время вообще полагали, что нейтрино лишены массы. Оказывается, это не так, но первые признаки того, что нейтрино обладают массой, мы пронаблюдали практически случайно.

Природные фабрики нейтрино

Нейтрино – этакие проказливые чертенята. Поскольку они участвуют только в слабом взаимодействии, их нельзя взвесить, а поскольку они электрически нейтральны, на них не действуют электромагнитные поля. Зато мы можем создавать их в ядерных реакторах, и природные реакторы, они же звезды, производят их в изобилии.

Мы расскажем вам одну историю. Примерно 160 тысяч лет назад в одной галактике неподалеку от нас – в Большом Магеллановом Облаке – произошла вспышка сверхновой. Поскольку свет добирается до нас не мгновенно, увидели мы эту вспышку лишь в 1987 году, и это было одно из самых примечательных астрономических событий в истории человечества. Вместе с излучением во время вспышки высвободилось громадное количество нейтрино – настолько громадное, что очень много нейтрино долетели до Земли. Нам повезло, у нас были наготове мощные детекторы, и мы засекли пик нейтрино в тот самый момент, как только увидели свет вспышки. То есть нейтрино прибыли к нам если не со скоростью света, то по крайней мере настолько близко к скорости света, что мы не были в состоянии отметить разницу. Это было предпоследнее свидетельство в пользу того, что если нейтрино и не лишены массы, они необычайно легкие даже по субатомным стандартам.

Наверное, вы думаете, будто то, что мы установили и настроили мощные детекторы как раз перед вспышкой сверхновой 1987А – это крайнее везение. Ну что вы, везение тут ни при чем, и вам это станет понятно, когда мы расскажем, как выглядят некоторые детекторы нейтрино. Это гигантские подземные бассейны с суперчистой водой. Вспомнили? Ну конечно. Многие из установок для опытов по распаду протонов в результате сослужили двойную службу [148] – стали обсерваториями нейтрино.

Предсказать вспышку сверхновой невозможно, поэтому представляется несколько неконструктивным дожидаться сверхновой в надежде наловить нейтрино. К счастью, сверхновые – не единственные фабрики нейтрино. Наше собственное Солнце вырабатывает нейтрино в похожих количествах вместе с фотонами в ходе своих термоядерных упражнений. Просто фотоны больше бросаются в глаза.

Ловлей нейтрино мы занимаемся уже довольно давно. В 1960-е годы большой интерес вызывали попытки засечь нейтрино с Солнца, поэтому Раймонд Дэвис из Брукхавенской национальной лаборатории и Джон Бакалл, который тогда работал в Калифорнийском технологическом институте, возглавили работу по строительству… да, вы угадали: гигантского подземного бассейна. Обсерватория Хоумстейк, построенная в заброшенных золотых копях в Южной Дакоте, на самом деле была бассейном на тысячи кубометров, наполненным моющим средством [149] . Нейтрино влетает, ударяется о какой-нибудь атом хлора, превращает хлор в радиоактивный аргон, а аргон распадается, испуская свет. Проще некуда!

Единственная сложность состоит в том, что детекторы не принесли ожидаемых результатов. Бакалл предсказывал, что будет получено раза в два-три больше нейтрино, чем засекли на самом деле. Последующие эксперименты, в которых вместо моющего средства использовалась вода, показали то же самое.

Кто-то крадет почти все нейтрино! Но кто?!

Подлог и мошенничество в мире нейтрино

До сих пор мы старательно обходили некоторые вопросы, которые, вероятно, возникли у вас при осмотре нашего полицейского архива в главе 4. Существует три разных типа нейтрино – электронное, мю и тау. Мы не рассказали, чем они различаются, однако в процессе термоядерного синтеза образуются именно электронные нейтрино, поскольку в процессе участвуют еще и электроны. Первые детекторы нейтрино регистрировали только электронные нейтрино, а остальные два типа оказывались попросту невидимыми. Вероятно, «исчезнувшие» нейтрино каким-то образом (по мановению волшебной палочки?) превращались из электронных нейтрино во что-то другое.

Красота физической науки [150] заключается в том, что можно взять на первый взгляд несовместимые идеи, чтобы объединить и истолковать явления, которые иначе ничем не объясняются. Рассмотрим три соображения – вроде бы никак не связанные между собой.

1. Частицы, которые представляются нам одинаковыми, например электрон со спином, направленным вниз, и электрон со спином, направленным вверх, на самом деле при некоторых обстоятельствах ведут себя как разные частицы. Верно и обратное. Две частицы, которые представляются нам разными, при некоторых обстоятельствах ведут себя как одинаковые. Например, протоны и нейтроны ведут себя совершенно одинаково, когда происходит только сильное взаимодействие. Если разница достаточно велика, мы говорим, что это две разные частицы, а если разница незначительна (например, электрон со спином, направленным вниз, и электрон со спином, направленным вверх), говорим, что это два разных состояния одной и той же частицы.

2. Многие частицы не находятся в том или ином конкретном состоянии, а являют собой сочетание двух и более разных состояний. В главе 3 мы видели, что направление спина электрона совершенно случайно и становится определенным, только если мы его наблюдаем. Иначе говоря, он одновременно направлен вверх и вниз, и каждое состояние может быть наблюдаемо с некоторой вероятностью. Квантовая механика изобилует частицами, которые одновременно предаются двум (на первый взгляд) взаимоисключающим занятиям.

3. Частицы ведут себя как волны. Когда мы рассказали вам об этом в главе 2, то пренебрегли одной тонкостью, которая сейчас окажется нам полезной. Если «волна» осциллирует (то есть колеблется) между двумя различными состояниями, то чем больше разница в энергии между этими состояниями, тем быстрее будут осцилляции.

А теперь объединим эти три соображения, соберемся с духом и сделаем обескураживающее, однако совершенно верное предположение – нейтрино разных видов могут превращаться друг в друга.