Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Начало истории об антивеществе положил Поль Дирак, которого Стивен Хокинг в свое время назвал «пожалуй, самым великим британским физиком со времен Ньютона». Дирак родился в 1902 г. в городе Бристоле на юго-западе Англии в семье эмигрантов из Швейцарии. Отец Дирака работал учителем французского языка, а мать была библиотекарем. Молодой Дирак не ладил с отцом, поскольку тот был довольно суров и требовал от детей, чтобы те разговаривали с ним только по-французски. Из-за таких авторитарных манер отца детство Дирака было не радужным. Как он впоследствии признавался, «ребенком мне так и не довелось узнать, что такое любовь и сочувствие». Окончив курсы по электротехнике и математике в Бристольском университете, Дирак взялся за докторскую диссертацию в Кембридже, где впоследствии занял пост профессора. Странные привычки Дирака стали притчей во языцех. Субраманьян Чандрасекар, физик индийского происхождения, учившийся у Дирака, рассказывал, что профессор мог «крадучись пробираться по улицам, держась поближе к стенам домов, словно вор». Дирак увлекался альпинизмом, и знакомые иногда замечали, как он карабкается по дереву в окрестностях Кембриджа – причем в том самом черном костюме, в котором читал студентам лекции, словно сразу после занятий собирался на очередное восхождение. Несмотря на такую эксцентричность, он оставался примерным семьянином, любил кататься на велосипеде, плавать и сплавляться на каноэ вместе с детьми.

Дирак был настолько немногословен, что коллеги даже в шутку выдумали единицу «дирак», соответствующую минимальному количеству слов в час, которое может процедить человек, не выпадая при этом из разговора. Нильс Бор, один из пионеров квантовой физики, в сердцах отзывался об этой невероятной молчаливости коллеги: «Ох уж этот Дирак, он так много знает о физике, только вот ни слова не говорит». Существует множество исторических анекдотов о причудливых нравах Дирака, особенно о его предельно рассудочных и буквалистских реакциях – некоторые исследователи даже полагают, что причиной такого поведения мог быть аутизм. Однажды на научной конференции, проходившей в замке, кто-то из участников сострил, что в одном из покоев этого замка в полночь, кажется, шастало привидение. Дирак в ответ со всей серьезностью осведомился: «Это было в полночь по Гринвичу или по летнему времени?» Другой анекдот рассказывает о Дираке и Вернере Гейзенберге – одном из основателей квантовой физики, который наиболее известен тем, что сформулировал принцип неопределенности. Однажды Гейзенберг и Дирак вместе отправились на конференцию в Японию на круизном корабле. Между ними произошел случай, отлично характеризующий занудство Дирака. На борту устраивали танцы, и импозантный Гейзенберг с удовольствием в них участвовал. Как-то раз Дирак спросил Гейзенберга: «Почему вы танцуете?» Гейзенберг ответил: «Ну, там же милые девушки, просто приятно». Дирак призадумался и, помолчав, поинтересовался: «А откуда вы заранее знаете, что они милые?» Кроме того, Дирак был известен своим критическим отношением к религии, в особенности – сомнениями в ее истинной цели. Однажды, когда Дирак выступил с резкой критикой религиозности, присущей некоторым физикам, присутствовавший при этом Вольфганг Паули отметил: «Нет, у нашего друга Дирака есть религия, и главный догмат этой религии гласит: “Нет никакого Бога, и Дирак – пророк Его”». Все присутствовавшие рассмеялись – даже сам Дирак.

В 1928 г., работая в Кембридже, Дирак вывел математическое уравнение, которое описывало поведение электрона, опираясь на две молодые физические теории – Специальную теорию относительности и квантовую механику. Однако, к немалому удивлению, а поначалу и к досаде самого Дирака, это уравнение свидетельствовало, что в природе должен существовать положительно заряженный аналог электрона. Сначала Дирак решил, что на эту роль вполне подходит протон. В конце концов, в те годы наука еще не знала других элементарных частиц. Однако казалось, что такое уравнение предполагает точную симметрию между двумя частицами: гипотетическая положительная частица должна была иметь такую же массу, как и электрон. Поскольку протон примерно в 2000 раз тяжелее электрона, эти частицы едва ли можно было считать парными.

К 1930 г. другие ученые также стали сомневаться в исходной гипотезе Дирака о том, что протон является положительным аналогом электрона. Так, Дж. Роберт Оппенгеймер, который в годы войны возглавил Манхэттенский проект, созданный для разработки ядерного оружия, и советский физик Игорь Тамм обнаружили еще более серьезную проблему, связанную с интерпретацией Дирака. Работая независимо друг от друга, Тамм и Оппенгеймер пришли к выводу, что если бы описываемые уравнением Дирака частицы-антиподы столкнулись, то выделилась бы масса энергии и произошло явление, которое физики именуют аннигиляцией. Если бы протон действительно был положительным аналогом электрона, то стабильных атомов бы попросту не существовало, так как две эти частицы не могли бы существовать бок о бок. Годом позже сам Дирак предположил, что единственное логичное объяснение его уравнения требует признать существование иной частицы, которую сам Дирак назвал «антиэлектрон».

Действительно, Дирак осознал, что его уравнение проливает свет на существование «совершенно новой разновидности вещества». У каждой частицы должна быть ровно одна античастица, своеобразное «зеркальное отражение». Античастице необходимо обладать такой же массой, как и частице, но остальные свойства этих частиц (например, электрический заряд) должны быть противоположными. Более того, уравнение Дирака предполагало, что при наличии достаточного количества энергии пары частиц и античастиц могут возникать спонтанно, что поначалу казалось физикам невероятным.

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.