Если это так, то что-то должно было случиться еще раньше, чтобы склонить чашу весов в пользу протонов, а не антипротонов на уровне одной миллиардной. Что-то должно отличаться в обычной материи и антиматерии. Чтобы выяснить, что это могло быть и как изначально получился дисбаланс между материей и антиматерией, нам нужно вначале понять, как материя в том виде, в котором мы ее знаем, появилась в результате Большого взрыва.
Материя, существующая на Земле, не является типичной для Вселенной в целом, но материя во Вселенной также изменилась за многие миллиарды лет. На Земле материя состоит из атомов: электроны пойманы в ловушку в холоде электрической силой атомного ядра. По мере повышения температуры атомы врезаются друг в друга еще более яростно, и их электроны отсоединяются. При температуре свыше десяти тысяч градусов атомы больше не могут оставаться единым целым. Электроны высвобождаются и свободно текут в газе из электрически заряженных частиц, известном как плазма. Именно это происходит в центре Солнца, где температура превышает миллион градусов, а водород полностью разбит на независимые газы электронов и протонов. Мы можем экспериментировать с пучками электронов и протонов и посмотреть, как они себя ведут, врезаясь друг в друга при энергиях, типичных для такой температуры. Это подтверждает, что Солнце в самом деле является огромной машиной ядерного синтеза.
Эксперименты показывают, что при еще более высоких температурах материя приобретает и другие новые формы. Насколько мы можем судить, электроны остаются одними и теми же при всех температурах, а протоны и нейтроны – нет. В холодных условиях Земли и даже в горячем центре Солнца протоны и нейтроны – это сгустки кварков, которые удерживаются вместе глюонами. При более высоких температурах на том уровне, который можно изучать в самых мощных ускорителях, имеющихся в настоящее время, кажется, что ядерная материя расплавляется: атомы превращаются в электрическую плазму при 10 000 градусах, а протоны и нейтроны превращаются в «кварково-глюоновую плазму» при температуре около триллиона градусов.
Сегодня нигде во Вселенной такой температуры нет, за исключением столкновений частиц в ускорителях с высокой энергией. Даже 50 лет назад в «Беватроне» можно было создать условия с более высокой температурой, чем на Солнце. Сегодня мы можем моделировать условия, которые превалировали сразу же после Большого взрыва. Именно в ускорителях антиматерия в форме антипротонов и позитронов стала идеальным инструментом. Когда протоны ударяются в цели из материи, часть их энергии теряется и остается только небольшое количество для создания новых частиц. Однако если вы ускорите движение античастиц примерно до скорости света, а потом они будут сталкиваться с пучком идущих на такой же высокой скорости их материальных двойников, произойдет полная аннигиляция: вся энергия, ранее пойманная в ловушку в их отдельных E = mc2, высвобождается.
Эксперименты, проводившиеся в Большом электрон-позитронном коллайдере, о котором мы рассказывали выше, подтвердили, что Большой взрыв породил электроны и позитроны, кварки и антикварки и множество фотонов и глюонов. Это происходило на заре Вселенной, когда температура была на миллиарды градусов выше, чем сегодня Солнце. По мере старения и охлаждения Вселенной эти базовые частицы соединялись вместе, строя все более и более сложные структуры. Кварки склеивались вместе по три, создавая постоянные структуры, которые мы называем протонами и нейтронами, а шары плазмы, которые они формировали, начали готовить «зерна» элементов. Когда температура еще больше снизилась, примерно до того, что мы называем комнатной, эти ядерные зерна смогли зацепиться за проходящие мимо электроны и сформировали атомы, химию, биологию и жизнь.
Мы хорошо понимаем, как материя в том виде, в котором мы ее знаем сегодня, сформировалась и развивалась на протяжении 14 миллиардов лет после Большого взрыва. Ирония заключается в том, что мы многое об этом узнали, используя антипротоны и позитроны как инструменты, помогающие нам вернуться назад во времени и посмотреть, как сотворялась материя. Если бы в космосе антипротоны и позитроны имелись в большом количестве, они легко могли бы сформировать антизвезды, космические кухни которых приготовили бы ингредиенты для формирования антиэлементов. Посыл состоит в том, что материя и антиматерия формировались соответствующими друг другу парами. Тем не менее выжить смогла только материя. Где-то в первые моменты существования Вселенной, ранее, чем в миллиардную долю секунды, возник дисбаланс между материей и антиматерией.
Нейтрино
Мы уже говорили об асимметрии между материей и антиматерией и о том, что это естественно для Вселенной. Но при изучении странных частиц это стало сенсацией. Однако, чем больше собиралось данных, становилось все более ясно, что явления, включающие кварки и антикварки, не могут объяснить количественное полное доминирование материи во Вселенной сегодня. В последнее время ученые обратили внимание на лептоны и нейтрино.
Название «лептоны» происходит от греческого слова, означающего «легкий». Название появилось в 1948 году и было выбрано, потому что все известные в то время лептоны были значительно легче тяжелых частиц, входящих в класс барионов, название которых происходит от греческого слова «тяжелый». Сейчас это уже не вполне соответствует реальному положению дел, поскольку открытый в 1977 году тау-лептон примерно в два раза тяжелее самых легких барионов. Лептоны – это элементарные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны вместе с кварками (которые участвуют во всех четырех взаимодействиях, включая сильное) составляют класс фундаментальных фермионов – частиц, из которых состоит вещество и у которых, насколько нам известно, отсутствует внутренняя структура.
Несмотря на то что до сих пор никаких экспериментальных указаний на неточечную структуру лептонов не обнаружено, делаются попытки построить теории, в которых лептоны и кварки были бы составными объектами. Рабочее название для гипотетических частиц, составляющих кварки и лептоны, – преоны, и мы их уже упоминали. Существует три поколения лептонов: электрон и электронное нейтрино (первое поколение); мюон и мюонное нейтрино (второе поколение); тау-лептон и тау-нейтрино (третье поколение) и, конечно, соответствующие античастицы. Таким образом, получается, что в каждое поколение входит отрицательно заряженный лептон, положительно заряженный антилептон и нейтральные нейтрино и антинейтрино. Все они обладают ненулевой массой, хотя масса нейтрино весьма мала по сравнению с массами других элементарных частиц. Каждому заряженному лептону (электрон, мюон, тау-лептон) соответствует легкий нейтральный лептон – нейтрино. Ранее считалось, что каждое поколение лептонов обладает своим так называемым флейворным лептонным зарядом – то есть лептон может возникнуть только вместе с антилептоном из своего поколения, так, чтобы разность количества лептонов и антилептонов каждого поколения в замкнутой системе была постоянной. Эта разность называется электронным, мюонным или тау-лептонным числом, в зависимости от рассматриваемого поколения. Лептонное число лептона равно +1, антилептона –1.
С открытием осцилляций нейтрино было обнаружено, что это правило нарушается: электронное нейтрино может превратиться в мюонное или тау-нейтрино. Таким образом, флейворное лептонное число не сохраняется. Однако процессов, в которых не сохранялось бы общее лептонное число (не зависящее от поколения), пока не обнаружено. Закон сохранения лептонного числа является экспериментальным фактом и пока не имеет общепринятого теоретического обоснования.
Слово «нейтрино» происходит от итальянского, которое можно перевести как «нейтрончик», это уменьшительное от «нейтрон». Это стабильная незаряженная элементарная частица, долго считалось, что это частица с нулевой массой, теперь признано, что – с очень малой. Нейтрино участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино, всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино в паре с мюоном, и тау-нейтрино, связанное с тяжелым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу, отличающуюся от нейтрино знаком соответствующего лептонного заряда и спиральностью. Нейтрино имеют левую спиральность (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино – правую (спин направлен по направлению движения). Одним из перспективных направлений использования нейтрино является нейтринная астрономия, так как звезды кроме света излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звездной эволюции за счет нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии, то изучение свойств нейтрино помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать еще более удаленные астрономические объекты. Еще одним практическим применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. В ряде стран ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива. Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи, что привлекает интерес военных: частица теоретически делает возможной связь с подводными лодками, находящимися на глубине, или передачу информации сквозь Землю. Нейтрино, образующиеся в результате распада радиоактивных элементов внутри Земли, могут использоваться для изучения внутреннего состава Земли. Измеряя потоки геологических нейтрино в разных точках Земли, можно составить карту источников радиоактивного тепловыделения внутри Земли.