Охотники за нейтрино

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.

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.