Охотники за нейтрино

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.