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.
Дирак был настолько немногословен, что коллеги даже в шутку выдумали единицу «дирак», соответствующую минимальному количеству слов в час, которое может процедить человек, не выпадая при этом из разговора.
Нильс Бор, один из пионеров квантовой физики, в сердцах отзывался об этой невероятной молчаливости коллеги: «Ох уж этот Дирак, он так много знает о физике, только вот ни слова не говорит». Существует множество исторических анекдотов о причудливых нравах Дирака, особенно о его предельно рассудочных и буквалистских реакциях — некоторые исследователи даже полагают, что причиной такого поведения мог быть аутизм. Однажды на научной конференции, проходившей в замке, кто-то из участников сострил, что в одном из покоев этого замка в полночь, кажется, шастало привидение. Дирак в ответ со всей серьезностью осведомился: «Это было в полночь по Гринвичу или по летнему времени?» Другой анекдот рассказывает о Дираке и Вернере Гейзенберге — одном из основателей квантовой физики, который наиболее известен тем, что сформулировал принцип неопределенности. Однажды Гейзенберг и Дирак вместе отправились на конференцию в Японию на круизном корабле. Между ними произошел случай, отлично характеризующий занудство Дирака. На борту устраивали танцы, и импозантный Гейзенберг с удовольствием в них участвовал. Как-то раз Дирак спросил Гейзенберга: «Почему вы танцуете?» Гейзенберг ответил: «Ну, там же милые девушки, просто приятно». Дирак призадумался и, помолчав, поинтересовался: «А откуда вы заранее знаете, что они милые?» Кроме того, Дирак был известен своим критическим отношением к религии, в особенности — сомнениями в ее истинной цели. Однажды, когда Дирак выступил с резкой критикой религиозности, присущей некоторым физикам, присутствовавший при этом Вольфганг Паули отметил: «Нет, у нашего друга Дирака есть религия, и главный догмат этой религии гласит: „Нет никакого Бога, и Дирак — пророк Его“». Все присутствовавшие рассмеялись — даже сам Дирак.
В 1928 г., работая в Кембридже, Дирак вывел математическое уравнение, которое описывало поведение электрона, опираясь на две молодые физические теории — Специальную теорию относительности и квантовую механику. Однако, к немалому удивлению, а поначалу и к досаде самого Дирака, это уравнение свидетельствовало, что в природе должен существовать положительно заряженный аналог электрона. Сначала Дирак решил, что на эту роль вполне подходит протон. В конце концов, в те годы наука еще не знала других элементарных частиц. Однако казалось, что такое уравнение предполагает точную симметрию между двумя частицами: гипотетическая положительная частица должна была иметь такую же массу, как и электрон. Поскольку протон примерно в 2000 раз тяжелее электрона, эти частицы едва ли можно было считать парными.
К 1930 г. другие ученые также стали сомневаться в исходной гипотезе Дирака о том, что протон является положительным аналогом электрона. Так, Дж. Роберт Оппенгеймер, который в годы войны возглавил Манхэттенский проект, созданный для разработки ядерного оружия, и советский физик Игорь Тамм обнаружили еще более серьезную проблему, связанную с интерпретацией Дирака. Работая независимо друг от друга, Тамм и Оппенгеймер пришли к выводу, что если бы описываемые уравнением Дирака частицы-антиподы столкнулись, то выделилась бы масса энергии и произошло явление, которое физики именуют аннигиляцией. Если бы протон действительно был положительным аналогом электрона, то стабильных атомов бы попросту не существовало, так как две эти частицы не могли бы существовать бок о бок. Годом позже сам Дирак предположил, что единственное логичное объяснение его уравнения требует признать существование иной частицы, которую сам Дирак назвал «антиэлектрон».
Действительно, Дирак осознал, что его уравнение проливает свет на существование «совершенно новой разновидности вещества». У каждой частицы должна быть ровно одна античастица, своеобразное «зеркальное отражение». Античастице необходимо обладать такой же массой, как и частице, но остальные свойства этих частиц (например, электрический заряд) должны быть противоположными. Более того, уравнение Дирака предполагало, что при наличии достаточного количества энергии пары частиц и античастиц могут возникать спонтанно, что поначалу казалось физикам невероятным.
Спустя всего несколько месяцев Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института, занимаясь изучением космических лучей (высокоэнергетических частиц, прилетающих на Землю из глубокого космоса), заметил в пузырьковой камере след, оставленный «какой-то положительно заряженной частицей с точно такой массой, как у электрона». Андерсон потратил около года на исследование этой проблемы и пришел к выводу, что эти новые частицы действительно являются антиэлектронами. Он назвал их позитроны. Андерсон зафиксировал и такие случаи, в которых электронно-позитронные пары возникали словно из ниоткуда, подтвердив, что парное образование частиц — это реальное физическое явление, в полном соответствии с уравнением Дирака. Таким образом, нечто действительно может возникнуть из ничего — по крайней мере на тот краткий миг, пока парные частицы не аннигилируют. Сегодня в ходе экспериментов, которые проводятся на ускорителях частиц, ученые с легкостью синтезируют миллионы электронно-позитронных пар. Однако в таких опытах частицы и античастицы разделяются при помощи магнитных полей и лишь через какое-то время вступают в контакт и аннигилируют.
В 1933 г. Дирак в возрасте 31 года был удостоен Нобелевской премии за свое открытие на кончике пера, поскольку его гипотеза подтвердилась, когда Андерсону удалось обнаружить позитрон. Дирак был чрезвычайно стеснительным и даже подумывал отказаться от премии, чтобы в случае ее присуждения не стать публичной персоной. «Робкий, как газель, скромный, как викторианская девица» — так охарактеризовали Дирака в одном из номеров газеты Sunday Dispatch, вышедших в то время. Но друзья убедили Дирака, что отказ от премии привлечет к нему еще больше внимания, поэтому он явился на церемонию.
Хотя Андерсону и удалось обнаружить позитрон вскоре после теоретического прогноза Дирака, поиски антипротона и антинейтрона продолжались значительно дольше.
Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен зафиксировали антипротон в ускорителе частиц под названием Bevatron, расположенном в калифорнийском городе Беркли, — это произошло в 1955 г. Годом позже Брюс Корк вместе с коллегами на том же ускорителе открыл антинейтрон. Первое ядро антивещества, состоявшее из антипротона и антинейтрона, впервые удалось наблюдать двум независимым группам исследователей в 1965 г., но лишь спустя 30 лет ученые смогли синтезировать первые антиатомы, в которых позитрон вращается вокруг антиядра. В 1995 г. группа физиков в институте CERN получила девять атомов «антиводорода». До сих пор сотрудники CERN продолжают упорно работать над тем, чтобы добыть существенное количество атомов антиводорода и сохранить их достаточно долго, чтобы можно было изучить свойства этого вещества. В 2011 г. в Брукхейвенской национальной лаборатории удалось получить ядра антигелия, состоящие из двух антипротонов и двух антинейтронов. Для этого в ускорителе разгоняли и сталкивали ядра золота, достигая невероятной плотности вещества — примерно такую плотность имела Вселенная спустя считаные микросекунды после Большого взрыва. До сих пор это самые тяжелые антиядра, известные науке.
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.
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.
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 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.
Тем временем физики успели описать еще несколько гипотетических механизмов, которые, возможно, могли вызвать более значительную асимметрию.
Некоторые из них довольно сложны, если не сказать надуманны. Рокки Колб описывает самые экзотические из подобных гипотез как «гигантские построения, призванные объяснить одно-единственное число». В частности, по одной из версий, симметрия между веществом и антивеществом оказалась нарушена из-за испарения первозданных черных дыр, образовавшихся на заре существования Вселенной. Другая версия, которая представляется более убедительной, такова: возможно, причины асимметрии связаны с лептонами — семейством элементарных частиц, к которым относится и нейтрино. Чтобы можно было взять на вооружение эту версию, физикам приходится предположить, что первозданная Вселенная была наполнена тяжелыми «парами» почти невесомых нейтрино, которые мы наблюдаем сегодня. Когда эти сверхтяжелые нейтрино распадались, они превращались в вещество с большей вероятностью, чем в антивещество. Поскольку мы пока не располагаем достаточно мощными ускорителями, которые позволили бы синтезировать такие массивные частицы, ученым остается лишь изучать свойства их более легких аналогов (нейтрино) и теоретизировать, мог ли такой сценарий действительно разворачиваться в реальности.
Причина, почему нейтрино отводится главная роль в разгадке этой космической тайны, связана со странным свойством, которым могут обладать эти частицы: возможно, нейтрино окажутся идентичны антинейтрино. Большинство частиц имеют античастицы, обладающие противоположным спином и зарядом. Поскольку нейтрино и антинейтрино лишены заряда, различить их можно только по спину: у нейтрино он левый, а у антинейтрино — правый. Несмотря на разницу в спине, обе эти частицы могут взаимодействовать с материей совершенно одинаково. Если бы все действительно было так и нейтрино с антинейтрино были полностью взаимозаменяемы, то именно этот феномен мог бы объяснить переизбыток вещества над антивеществом в ранней Вселенной.
Итальянский физик Этторе Майорана — замкнутый гений, пропавший без вести в возрасте 32 лет, первым предположил, что нейтрино могут обладать такой двойственной природой. Майорана родился в 1906 г. в знатной сицилийской семье и уже ребенком проявлял талант к математике и шахматам. Последовав примеру отца, он пошел учиться на инженера в Риме. Там Майорана познакомился с Эмилио Сегре, который убедил его заняться физикой, а не техникой. В компании с Сегре Майорана присоединился к исследовательской группе Энрико Ферми, незадолго до того получившего пост профессора в Римском университете. Тогда Майорану еще можно было назвать юношей — ему лишь недавно исполнилось двадцать шесть. Амбициозная команда молодых физиков под началом Ферми получила прозвище «Ребята с улицы Панисперна» — на этой улице располагался институт физики.
Теоретические работы Майораны были связаны с исследованием структуры и свойств атомов и их составляющих. Получив грант от Итальянского научно-исследовательского совета, Майорана смог отправиться в Лейпциг, где сотрудничал с Гейзенбергом, а также в Копенгаген, чтобы работать с Нильсом Бором.
Работая в Германии, Майорана серьезно заболел гастритом, этот недуг донимал его еще долгие годы, даже после возвращения в Рим. Возможно, именно из-за болезни Этторе почти не публиковал научных статей, зачастую бракуя собственную работу как мутные исследования, недостойные печати. Несмотря на уговоры Ферми, Майорана даже не удосужился опубликовать собственную гипотезу о существовании нейтрона, поэтому, когда эту частицу независимо от Майораны открыли другие ученые, его вклад в исследование этой проблемы остался совершенно неоцененным.
Заручившись поддержкой Ферми, которая в те годы значила в Италии очень много, Майорана получил в конце 1937 г. должность профессора на кафедре физики в университете Неаполя. Первые пару месяцев работа у него, казалось, шла хорошо. Однако вечером 23 марта он сел на корабль, отходивший из Неаполя в сицилийский город Палермо, предварительно сняв со счета все сбережения. Через два дня Майорана написал шокирующее письмо директору неапольского института физики: «Я принял решение, которое стало для меня неизбежным. В нем нет ни капли эгоизма, но я сознаю, какие неудобства доставит Вам и студентам мое внезапное исчезновение. Я прошу у Вас прощения, в том числе и за это, но в особенности за то, что обманул Ваше доверие, искреннюю дружбу и сочувствие, которым Вы успели меня одарить за последние несколько месяцев…»
Однако вскоре после отправки этого письма Майорана, по видимому, решил все переиграть, так как отправил коллеге телеграмму с просьбой опровергнуть предыдущее письмо. Во второй записке, датированной 26 марта, он писал: «Море не приняло меня, и завтра я вернусь. Остановлюсь в гостинице Bologna, возможно, при мне будет это письмо. Тем не менее я решил прекратить преподавательскую работу». Обеспокоенный коллега рассказал о письме родственникам Майораны. Вечером 25 марта, будучи в Палермо, Майорана купил билет на корабль, уходивший обратно в Неаполь, но на полуострове так и не появился. Несмотря на то, что семья предлагала вознаграждение тому, кто найдет Этторе, более ничего о нем узнать не удалось. Ферми даже обращался к премьер-министру Италии Бенито Муссолини с просьбой посодействовать в поисках: «Без малейших колебаний заверяю Вас и подчеркиваю, что в моих словах нет ни малейшего преувеличения: из всех итальянских и иностранных ученых, с которыми мне доводилось встречаться, мало кто настолько поразил меня своими незаурядными качествами, как Майорана».
Мнения о судьбе Майораны варьируются от очевидных до абсолютно загадочных. Проще всего предположить, что он покончил с собой, спрыгнув с корабля в Тирренское море. Но если он планировал свести счеты с жизнью, то зачем забирал деньги из банка? Кроме того, члены семьи настаивали, что Этторе был убежденным католиком, поэтому не мог пойти на самоубийство. Некоторые полагали, что Майорана переживал духовный кризис, поэтому ушел в монастырь. Один иезуитский священник рассказывал, что к нему обратился какой-то смятенный молодой человек, по описанию похожий на Майорану, и попросил принять его в орден. Монахи из обители, расположенной южнее Неаполя, также сообщали, что видели такого человека. Еще одна версия уводит поиски в Аргентину. На протяжении нескольких десятилетий после исчезновения физика появлялись сообщения о том, что Майорану видели в Южной Америке. Один сицилийский писатель предполагал, что Майорана пустился в бега, так как предвидел скорое изобретение ядерного оружия и не хотел иметь ничего общего с этими чудовищными разработками. Другие думали, что Майорану могли убить нацистские агенты или сицилийская мафия.
Возможно, при всем своем незаурядном интеллекте Майорана просто не мог справиться с жизненными неурядицами. Как отмечал Ферми, «Майорана был более талантлив, чем кто-либо в мире. К сожалению, ему недоставало всего одного качества, которым обычно обладают другие мужчины: здравого смысла». Легенда о Майоране живет на родине этого человека, причем подпитывается не только конспирологическими версиями и историями о том, что «кто-то видел Майорану» (на самом деле в какой-то период в Италии его «замечали» не реже, чем в США — Элвиса Пресли). Более того, Майорана уже стал героем комиксов и настоящим символом Сицилии.
При этом важность того вклада, который Майорана успел внести в науку, в последние годы резко повысилась. Все дело в растущем интересе к его соображениям о природе нейтрино, которые Майорана успел изложить в своей статье всего за год до исчезновения. Выше в этой главе я уже описывал сущность уравнения Дирака: оно указывает, что у электрона, имеющего отрицательный заряд, должна существовать положительно заряженная античастица. Майорана, в свою очередь, осознал, что не имеющие заряда нейтрино могут быть античастицами сами себе. То есть в природе может и не существовать «близнеца-антипода» нейтрино. Майоране удалось вывести более простое уравнение для нейтрино, чем Дираку — для электрона. Считается, что Этторе просто не решался опубликовать результаты своих исследований, хотя Ферми, как обычно, убеждал его не стесняться. Другие полагают, что Ферми сам написал статью, основываясь на заметках Этторе, и отдал ее в публикацию, подписавшись именем Майорана. Если бы не этот благородный поступок Ферми, то мы, возможно, никогда не узнали бы об эпохальном озарении Майораны.
Если предположение Майораны подтвердится и нейтрино действительно окажется античастицей «самой себе», то этот факт может перевернуть всю физику. Во-первых, придется пересмотреть Стандартную модель, которая сегодня считается настоящим каноном субатомного мира. Во-вторых, именно двойственная природа нейтрино могла бы объяснить ту асимметрию, в результате которой вещество подавляюще преобладает над антивеществом и которой мы обязаны своим существованием. Несмотря на явную простоту гипотезы Майораны, проверить ее экспериментально довольно сложно. Только сейчас ученые вплотную подходят к возможности осуществления строгих экспериментов такого рода, о чем мы подробнее поговорим ниже в этой главе.
Как вы, вероятно, помните из главы 2, Вольфганг Паули первым предположил, что именно нейтрино могут вызывать тот недостаток энергии, которая, казалось бы, бесследно исчезает при бета-распаде радиоактивного ядра. В частности, когда нейтрон распадается на протон и электрон, также образуется антинейтрино. При таком распаде сохраняется электрический заряд: реакция начинается с нейтрона, не имеющего заряда, а в результате ее образуются протон и электрон, чьи заряды равны, соответственно, +1 и –1, а также не имеющий заряда антинейтрино. Таким образом, суммарный заряд этих частиц также равен нулю. Сохраняется и лептонное число: как в начале, так и в конце реакции оно равно нулю, поскольку лептонное число электрона равно +1, а антинейтрино присваивается лептонное число –1. До сих пор все нормально: мы играем по правилам Стандартной модели.
Оказывается, ключевую роль для проверки гипотезы Майораны может сыграть редкая разновидность бета-распада. Еще в 1935 г. германо-американский физик Мария Гёпперт-Майер описала необычный вариант «двойного бета-распада»: два нейтрона в одном и том же ядре могут одновременно превратиться в два протона, испустив два электрона и два антинейтрино. В таком случае сохранились бы и электрический заряд, и лептонное число. По расчетам Гёпперт-Майер, случаи такого двойного распада должны быть достаточно редкими. Кроме того, наблюдать их очень непросто, так как они потеряются на фоне обычного «одинарного» бета-распада. После многих десятилетий работы, которой занимались многие физики, Майкл Мо из Калифорнийского университета в городе Ирвин и его коллеги наконец то смогли наблюдать двойной бета-распад в лабораторных условиях. Это произошло в 1987 г.
Задолго до того, как группе Мо удалось экспериментально зафиксировать двойной бета-распад, ученые пришли к выводу, что если Майорана был прав и нейтрино являются античастицами сами себе, то возможен и третий, еще более редкий вариант бета-распада. Итак, если догадка Майораны была верна, то два нейтрона могут претерпевать бета-распад вместе, так, что антинейтрино, испускаемый одним нейтроном, сразу же поглощается другим нейтроном. В итоге два нейтрона распадаются, не оставляя после себя ни нейтрино, ни антинейтрино. Физики подобрали для этого феномена громоздкое название «безнейтринный двойной бета-распад». В процессе такого распада электрический заряд сохраняется, а лептонное число — нет: на выходе имеем +2, так как есть два электрона и никаких антинейтрино. Таким образом, при безнейтринном двойном бета-распаде нарушается важное правило сохранения, основополагающий закон Стандартной модели. Именно такое нарушение может объяснять асимметрию в количестве вещества и антивещества.
Если ученым доведется наблюдать этот исключительно редкий процесс в природе, то догадка Майораны подтвердится: окажется, что нейтрино действительно является античастицей самому себе. Это будет беспрецедентный прорыв в науке и первый доказанный случай несохранения лептонного числа. В таком случае нам откроется путь к пониманию того, как вещество распространилось во Вселенной настолько шире антивещества. Более того, вероятность безнейтринного двойного бета-распада тесно связана с массой нейтрино: чем больше эта масса, тем чаще происходят распады. Поэтому, измерив частоту распада нейтрино, ученые смогут достаточно уверенно определить массу этой частицы. До сих пор физикам удавалось измерить лишь разницы масс нейтрино разных типов (об этом мы говорили в главе 5), но не их абсолютную массу.
Иными словами, изучив свойства этого редкого явления, мы решим сразу две задачи: найдем массу нейтрино и узнаем, является ли нейтрино собственной античастицей.
Обнаружить безнейтринный двойной бета-распад не легче, чем иголку в стоге сена, но в настоящее время этот поиск набирает обороты. Физики готовят сложнейшие эксперименты, которые позволили бы проверить гипотезу Майораны — более чем через 75 лет после того, как эта гипотеза была сформулирована. По мнению Джорджо Гратты из Стэнфордского университета, тот факт, что для постановки достаточно точных экспериментов такого рода понадобилось так много времени, свидетельствует «не только о крайней сложности измерения этого свойства, но и о том, насколько гениален был Майорана».
Ожидается, что в ближайшие пять лет будет запущено несколько таких точных экспериментов. Один из них называется «Подземная криогенная обсерватория редких событий» (CUORE), он будет проводиться в итальянской лаборатории Гран-Сассо. В эксперименте используется около 200 кг теллура; примерно треть этой массы приходится на радиоактивный теллур, который подвергается двойному бета-распаду. Детекторы CUORE охлаждены до температуры, всего на доли градуса превышающей абсолютный нуль (поэтому они очень легко регистрируют малейшие повышения температуры, происходящие в результате поглощения частицы или гамма-луча). Поскольку безнейтринный двойной бета-распад будет происходить крайне редко (если вообще будет), ученым потребуется подавить все прочие источники помех, которые в противном случае просто перекроют этот слабый сигнал. Во-первых, именно поэтому экспериментальная установка возводится под горой Гран-Сассо в Апеннинах, под сотнями метров скальных пород, блокирующих большую часть космических лучей. Во-вторых, сборка детекторов выполняется в стерильных цехах, чтобы предотвратить загрязнение атомами других радиоактивных элементов, встречающихся в природе. В-третьих, детекторы заключаются в свинцовые кожухи, каждый толщиной по 3 см, чтобы защитить оборудование от радиоактивного излучения самих скальных пород.
Однако свинец, только что добытый из руды, сам немного радиоактивен; соответственно, его собственное излучение станет помехой для измерения бета-распада. Поэтому ученым, готовившим проект CUORE, потребовалось найти очень старый свинец, который уже успел утратить почти всю свою естественную радиоактивность. Ученые превзошли сами себя в стремлении найти идеальный экранирующий материал: металл, который пошел на изготовление кожухов, взят с грузового судна, затонувшего у берегов Сардинии около 2000 лет назад. В 1988 г. остатки этого корабля обнаружил аквалангист. На судне находилось более тысячи свинцовых слитков, из которых, вероятно, предполагалось выковать снаряды для пращей — боеприпас для римских легионеров. Археологи хотели изучить клейма на слитках, чтобы больше узнать об античной морской торговле, но не смогли найти достаточно средств, чтобы поднять весь этот груз. Тогда на помощь пришли физики: Итальянский национальный институт ядерной физики выделил на подъем слитков сумму, эквивалентную $200 000. В качестве вознаграждения физики попросили себе часть добытого груза — те слитки, которые сохранились хуже всего. Они будут переплавлены и пойдут на изготовление свинцовых экранов для эксперимента CUORE.
Кроме группы CUORE в мире есть и другие проекты, участники которых в духе дружеского соперничества стремятся обнаружить безнейтринный двойной бета-распад. Еще одна группа в Европе уже эксплуатирует аппарат, который должен зафиксировать это экзотическое явление в блоке германия. Эта работа также ведется в лаборатории Гран-Сассо. Американские ученые запустили собственный эксперимент под названием EXO-200 (Обсерватория с обогащенным ксеноном). Обсерватория расположена под соляным пластом неподалеку от города Карлсбад в штате Нью-Мексико, неподалеку отсюда находится могильник ядерных отходов. Тот самый соляной пласт, который накрывает этот могильник, также защищает детектор EXO-200 от космических лучей и естественной радиоактивности скальных пород. Ксенон содержится в медном криостате, который находится в растворителе; растворитель играет роль антифриза и позволяет поддерживать нужную температуру. Исследователи сделали все возможное, чтобы защитить свой аппарат от радиационного фона, который мог бы стать источником помех. Сборка установки EXO-200 выполнялась в большом стерильном цеху в специальном комплексе с толстой бетонной крышей на территории Стэнфордского университета. При работе использовались материалы, не дающие ни малейшего радиоактивного излучения, все инструменты тщательно промывались в ацетоне и спирте. Поскольку при транспортировке оборудования по воздуху установка подвергалась бы сильному воздействию космических лучей, было решено доставить аппаратуру грузовиком из Калифорнии в Нью-Мексико в герметичных контейнерах — путь к месту назначения составил больше 2000 км. Чтобы дополнительно снизить воздействие космических лучей, было решено максимально сократить время в пути — для этого к транспортировке привлекли двоих водителей, которые вели машину по очереди, и в дороге удалось обойтись без остановок. Более того, исследователи покрыли контейнеры специальной отражающей краской, чтобы в дороге они не нагревались. Сам грузовик, который использовался при перевозке, был оснащен пневматической подвеской, чтобы исключить даже малейшие вибрации, способные повредить тонкое оборудование. Тем временем японские исследователи также приступили к поиску безнейтринного двойного бета-распада в шахте Камиока; в японской установке используется 400 кг ксенона, заключенного в огромный нейлоновый баллон.
Следует отметить, что еще около 10 лет назад поступило сообщение о том, что безнейтринный двойной бета-распад удалось обнаружить. С таким заявлением выступила небольшая группа физиков под руководством Ханса Клапдор-Кляйнгротхауса из Гейдельбергского института ядерной физики им. Макса Планка в Германии. Ученые проанализировали массив данных, собранных в течение многолетнего совместного эксперимента «Гейдельберг — Москва» (в эксперименте использовались пять крупных сверхчистых кристаллов обогащенного германия, расположенных в подземной лаборатории Гран-Сассо), и сообщили, что у них действительно есть доказательства таких редких превращений. Однако другие исследователи, в том числе московские участники этой коллаборации, указали на недоработки в их анализе и усомнились, не является ли полученный результат обычной статистической флуктуацией. Хитоши Мураяма отметил, что «согласно большинству теорий, этот процесс не может идти так активно, как следует из этих результатов». С ним соглашается Гратта из Стэнфордского университета, один из ключевых представителей коллаборации EXO-200: «Большинство коллег сходятся во мнении, что безнейтринный двойной бета-распад пока наблюдать не удалось».
Если каким-то чудом Клапдор-Кляйнгротхаус и его коллеги действительно не ошиблись с выводами, то их находка должна подтвердиться в других экспериментах в ближайшие несколько лет.
«Поскольку значение этих измерений сложно переоценить, представители научного сообщества считают, что для полной уверенности нам нужно несколько подтверждений, полученных на разных экспериментах», — считает Карстен Хеегер из Висконсинского университета в Мэдисоне, один из участников коллаборации CUORE. «Если действительно удастся обнаружить нечто подобное, то это будет великое событие», — добавляет он.
Действительно, существует несколько причин, по которым открытие безнейтринного двойного бета-распада потрясет основы физики, астрономии и космологии. Во-первых, это открытие будет означать, что Майорана был прав и нейтрино действительно являются античастицами сами себе. Во-вторых, физики смогут непосредственно измерить абсолютную массу нейтрино, которую не удается определить на протяжении многих десятилетий. Астрономы узнают, обладают ли эти частицы достаточной массой, чтобы из них могли сформироваться первые сгустки материи в ранней Вселенной. В-третьих, такой распад будет свидетельствовать о несохранении лептонного числа, что, как подчеркивает Хеегер, «нарушает фундаментальную физическую симметрию и, следовательно, потребует в корне пересмотреть Стандартную модель». В-четвертых, космологи смогут понять, как в течение первых секунд после Большого взрыва сложилось подавляющее преобладание вещества над антивеществом. Учитывая все эти революционные перспективы, неудивительно, что охотники за нейтрино связывают большие надежды со вторым десятилетием XXI в.
