Представьте себе, что у вас есть собственная великая теория унификации (ВТУ). Первым делом мы бы спросили у вас, сколько, согласно вашей ВТУ, живет типичный протон. Согласно практически всем этим теориям до единой, протоны в конце концов распадаются на позитрон и еще одну частицу под названием пион. Главное различие между разными теориями — средняя продолжительность жизни протона. И это хорошо. Это значит, что если мы сумеем выяснить, сколько живут протоны, то у нас появится отменный критерий точности различных ВТУ — по крайней мере мы сможем тут же просеять эти теории сквозь частое сито.
Где же он, распад протонов?
Некоторые из ранних моделей ВТУ предсказывали, что протон живет примерно 1031 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[115]. Главная цель таких эксперимен- tob — 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 1031 лет. Это значит, что каждый год космический генератор случайных чисел бросает игральную кость, у которой 1031 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 .
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 1036 лет.
Учитывая, насколько мы близки к точному определению этого периода, стоит ли удивляться, что мы уверены, будто определим его совсем скоро?
III. Какова масса нейтрино?
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 но — 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[116] — 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 Рай-
монд 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[117]. 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?1
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[118] заключается в том, что можно взять на первый взгляд несовместимые л 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. Бели 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 моясет быть наблюдаемо с некоторой вероятностью. Квантовая механика изобилует частицами, которые одновременно предаются двум (на первый взгляд) взаимоисключающим занятиям.
