То есть у нейтрино нет электрического заряда, очень малая масса, они могут проходить сквозь Землю, как пуля сквозь туман, и они до сих пор остаются такими таинственными, что через полвека после их открытия мы все еще знаем о них меньше, чем о других частицах. Тем не менее в последние годы ученые стали подозревать, что именно они скрывают тайну отсутствия антиматерии во Вселенной.
Нейтрино – это материя или антиматерия? У них нет электрического заряда, как у протона или Z0, но в отличие от этих бозонов, которые не являются ни материей, ни антиматерией, нейтрино – это фермион, а это означает, что к нему применимо уравнение Дирака и он имеет отношение к материи или антиматерии. Так что отличает нейтральный нейтрино от нейтрального антинейтрино?
В отличие от нейтрона и антинейтрона, которые отличаются внутренним строением из кварков или антикварков, у нейтрино нет внутренней структуры. Это блуждающий кусочек кружащегося ничего, который движется сквозь пространство почти со скоростью света. Легкое вращение – это почти все, что делает нейтрино, но этого достаточно, чтобы решить загадку материи или антиматерии. Квантовая теория также подразумевает, что нейтрино могут мгновенно превращаться в электрон и W+, а антинейтрино могут аналогично превращаться в позитрон и W—. Это позволило бы их различать – если бы мы могли это наблюдать практически, но наши возможности пока этого не позволяют. На протяжении 50 лет указанное вращение использовалось для того, чтобы отличать нейтрино, материю, от антинейтрино, антиматерии. Но в последние годы появилась теория, утверждающая, что в то время как фотоны (и другие бозоны) – это и не материя, и не антиматерия, тяжелые типы нейтрино – это и то и другое! Если такие странные вещи формировались в котле Большого взрыва, то их «потомство» сегодня должно быть в неравной степени распределено между тем, что мы называем материей и антиматерией.
Так откуда взялись нейтрино? Их производят некоторые формы радиоактивности. Когда протон в ядре превращается в нейтрон, изменение энергии материализуется как позитрон и нейтрино. Электрический заряд и общее число фермионов (под этим общим числом имеется в виду количество фермионов материи минус фермионы антиматерии) сохраняется. Вначале был один положительный заряд, который нес в себе протон, и в конце тоже имеется один положительный заряд. Общее число фермионов сохраняется, поскольку позитрон антиматерии уравновешивается нейтрино материи. И наоборот, когда нейтрон распадается, оставляя протон, появляются электрон и антинейтрино.
Если в дальнейшем нейтрино или антинейтрино столкнутся с материей, то выдадут себя, запустив обратный процесс. Нейтрино превращает нейтрон в протон, сопровождаемый электроном. Антинейтрино превращает протон в нейтрон, сопровождаемый позитроном.
Нейтрино могут вращаться, как электроны. Как мы знаем, у электронов есть электрический заряд, а благодаря своему спину они напоминают маленькие магниты. В своем полете они ориентируются или на Северный, или на Южный полюс. Мы можем представить это в виде штопора, который можно вращать в одну или другую сторону – вправо или влево, против часовой стрелки или по часовой. У нейтрино нет электрического заряда, но к нему применимо то, что мы сказали про спин – вращение может совершаться как по часовой стрелке, так и против.
В экспериментах, проводившихся на протяжении свыше 50 лет, казалось, что нейтрино вращается только по часовой стрелке, в то время как антинейтрино – наоборот. Это подобно стрелкам будильника – если мы посмотрим на их ход в зеркале, то покажется, что они идут вспять. Если мы посмотрим на нейтрино в зеркале, он поменяется на антинейтрино? Вначале нужно задать вопрос: а как нам узнать, нейтрино это или антинейтрино, кроме как по направлению вращения? Есть ли еще какой-то показатель, помогающий идентифицировать нейтрино как частицу, а антинейтрино как античастицу? Если такого показателя нет, то остается одно направление вращения. Или все-таки есть?
На этом этапе нужно задуматься о том, что мы имеем в виду под словом «античастица». Под обычной материей мы понимаем отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны. Положительная версия электрона называется «позитрон», а если бы отрицательная версия протона называлась «негатон», то они были бы просто двумя новыми частицами. Но называя их антиэлектроном и антипротоном и сосредоточивая внимание на их способности уничтожать свои вторые «Я», мы приходим в возбуждение от «антиматерии», и начинает работать воображение. Когда речь идет о нейтрино, мы имеем дело с частицами, не являющимися обычным делом в нашем материальном мире. Они пролетают мимо как призраки, редко обнаруживая себя, и определенно не попадают в ловушку внутри материи. Вместо того чтобы думать о нейтрино и антинейтрино как частях материи и антиматерии и определять, что есть что по их родству с электроном или позитроном, как обычно делалось, мы можем просто сказать, что имеем дело с нейтрино: при вращении по часовой стрелки он предпочитает электроны (нейтрино с левым спином), а при вращении против часовой стрелки – позитроны (нейтрино с правым спином).
На протяжении полувека считалось, что нейтрино не имеют массы и вращаются, как штопор, в пространстве со скоростью света. Однако в последние пять лет было обнаружено, что это не так. У нейтрино, которые были эмитированы в процессе обычной радиоактивности или в процессах ядерного распада в центре Солнца, имеется крошечная масса. Она так мала, что пока еще никому не удалось ее измерить. Но если бы у нас появились субатомные весы, то потребовалось бы по меньшей мере 10 000 нейтрино для уравновешивания одного электрона.
Это очень маленькая частица, но значение нейтрино может быть огромным. Теория относительности Эйнштейна подразумевает, что фермион, летящий со скоростью света, остается или вращающимся по часовой стрелке, или вращающимся против часовой стрелки, и вращение не может поменяться с одного на другое. Частицы, у которых есть масса и к которым, как мы теперь знаем, относится нейтрино, могут вращаться или влево, или вправо, и возможно, что в результате взаимодействия с другими частицами они могут изменить направление вращения, превратившись из частиц, вращающихся по часовой стрелке, в частицы, вращающиеся против. Так что для нейтрино возможно вращаться или по часовой стрелке, или против часовой стрелки. И то же самое относится к антинейтрино.
Открытым остается вопрос, следуют ли эти туманные сущности правилу «материя по часовой стрелке, антиматерия против часовой стрелки», или нейтрино является одновременно материей и антиматерией в том смысле, что нейтрино и его античастица неразличимы. На эту возможность указал Этторе Майорана вскоре после появления уравнения Дирака. Майорана предложил протон-нейтронную модель атомного ядра и изучал обменные ядерные силы. В 1937 году Майорана сформулировал двухкомпонентную теорию, предсказал существование так называемых фермионов Майораны – частиц, одновременно являющихся собственными античастицами. Впервые они были обнаружены только в 2012 году. В физике частиц в наши дни одной из самых интересных тем является использование природой «нейтрино Майораны». Это может сыграть важную роль в объяснении происхождения Вселенной, в которой доминирует материя.
Этторе Майорана (род. в 1906 году) – итальянский физик-теоретик, работавший в теории нейтрино. Гениальный ученик Э. Ферми. В 1937 году сформулировал двухкомпонентную теорию, предсказал существование частиц, одновременно являющихся собственными античастицами (впервые они были обнаружены лишь в 2012 году). Бесследно исчез
Если бы у нейтрино не было массы, они все равно оставались бы таинственными, но тем не менее подпадали бы под общее описание частиц и сил, которое называется «Стандартной моделью». Различные версии стали строиться при попытке понять, почему у нейтрино такая маленькая масса, практически равная нулю в сравнении с электроном и позитроном. Есть теория о том, что в дополнение к известным легким нейтрино существуют еще и очень массивные нейтрино Майораны, которые еще предстоит открыть. Для гипотетических частиц даже придумали название – майороны.
Если это так и сегодня майороны просто остаются вне пределов нашей досягаемости, то они были созданы во время Большого взрыва вместе со всем остальным. Это может иметь поразительные последствия для природы нынешней Вселенной.
Если майороны вымерли, то в современной Вселенной находится их потомство. Теоретически майорон – это массивный нейтральный фермион, который может излучать энергию в форме бозона Хиггса и превращаться в нейтрино или антинейтрино. Может получаться три типа нейтрино или соответствующих антинейтрино, и нет оснований считать, что майорон распадется на нейтрино и антинейтрино в равной степени. Это предполагает, что майороны выжили в апокалипсисе Великой Аннигиляции и кое-что оставили нам после себя.
