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

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.

Причина, почему нейтрино отводится главная роль в разгадке этой космической тайны, связана со странным свойством, которым могут обладать эти частицы: возможно, нейтрино окажутся идентичны антинейтрино. Большинство частиц имеют античастицы, обладающие противоположным спином и зарядом. Поскольку нейтрино и антинейтрино лишены заряда, различить их можно только по спину: у нейтрино он левый, а у антинейтрино – правый. Несмотря на разницу в спине, обе эти частицы могут взаимодействовать с материей совершенно одинаково. Если бы все действительно было так и нейтрино с антинейтрино были полностью взаимозаменяемы, то именно этот феномен мог бы объяснить переизбыток вещества над антивеществом в ранней Вселенной.

Итальянский физик Этторе Майорана – замкнутый гений, пропавший без вести в возрасте 32 лет, первым предположил, что нейтрино могут обладать такой двойственной природой. Майорана родился в 1906 г. в знатной сицилийской семье и уже ребенком проявлял талант к математике и шахматам. Последовав примеру отца, он пошел учиться на инженера в Риме. Там Майорана познакомился с Эмилио Сегре, который убедил его заняться физикой, а не техникой. В компании с Сегре Майорана присоединился к исследовательской группе Энрико Ферми, незадолго до того получившего пост профессора в Римском университете. Тогда Майорану еще можно было назвать юношей – ему лишь недавно исполнилось двадцать шесть. Амбициозная команда молодых физиков под началом Ферми получила прозвище «Ребята с улицы Панисперна» – на этой улице располагался институт физики.

Этторе Майорана

(E. Recami and F. Majorana)

Теоретические работы Майораны были связаны с исследованием структуры и свойств атомов и их составляющих. Получив грант от Итальянского научно-исследовательского совета, Майорана смог отправиться в Лейпциг, где сотрудничал с Гейзенбергом, а также в Копенгаген, чтобы работать с Нильсом Бором.

Работая в Германии, Майорана серьезно заболел гастритом, этот недуг донимал его еще долгие годы, даже после возвращения в Рим. Возможно, именно из-за болезни Этторе почти не публиковал научных статей, зачастую бракуя собственную работу как мутные исследования, недостойные печати. Несмотря на уговоры Ферми, Майорана даже не удосужился опубликовать собственную гипотезу о существовании нейтрона, поэтому, когда эту частицу независимо от Майораны открыли другие ученые, его вклад в исследование этой проблемы остался совершенно неоцененным.

Заручившись поддержкой Ферми, которая в те годы значила в Италии очень много, Майорана получил в конце 1937 г. должность профессора на кафедре физики в университете Неаполя. Первые пару месяцев работа у него, казалось, шла хорошо. Однако вечером 23 марта он сел на корабль, отходивший из Неаполя в сицилийский город Палермо, предварительно сняв со счета все сбережения. Через два дня Майорана написал шокирующее письмо директору неапольского института физики: «Я принял решение, которое стало для меня неизбежным. В нем нет ни капли эгоизма, но я сознаю, какие неудобства доставит Вам и студентам мое внезапное исчезновение. Я прошу у Вас прощения, в том числе и за это, но в особенности за то, что обманул Ваше доверие, искреннюю дружбу и сочувствие, которым Вы успели меня одарить за последние несколько месяцев…»

Однако вскоре после отправки этого письма Майорана, по-видимому, решил все переиграть, так как отправил коллеге телеграмму с просьбой опровергнуть предыдущее письмо. Во второй записке, датированной 26 марта, он писал: «Море не приняло меня, и завтра я вернусь. Остановлюсь в гостинице Bologna, возможно, при мне будет это письмо. Тем не менее я решил прекратить преподавательскую работу». Обеспокоенный коллега рассказал о письме родственникам Майораны. Вечером 25 марта, будучи в Палермо, Майорана купил билет на корабль, уходивший обратно в Неаполь, но на полуострове так и не появился. Несмотря на то, что семья предлагала вознаграждение тому, кто найдет Этторе, более ничего о нем узнать не удалось. Ферми даже обращался к премьер-министру Италии Бенито Муссолини с просьбой посодействовать в поисках: «Без малейших колебаний заверяю Вас и подчеркиваю, что в моих словах нет ни малейшего преувеличения: из всех итальянских и иностранных ученых, с которыми мне доводилось встречаться, мало кто настолько поразил меня своими незаурядными качествами, как Майорана».

Мнения о судьбе Майораны варьируются от очевидных до абсолютно загадочных. Проще всего предположить, что он покончил с собой, спрыгнув с корабля в Тирренское море. Но если он планировал свести счеты с жизнью, то зачем забирал деньги из банка? Кроме того, члены семьи настаивали, что Этторе был убежденным католиком, поэтому не мог пойти на самоубийство. Некоторые полагали, что Майорана переживал духовный кризис, поэтому ушел в монастырь. Один иезуитский священник рассказывал, что к нему обратился какой-то смятенный молодой человек, по описанию похожий на Майорану, и попросил принять его в орден. Монахи из обители, расположенной южнее Неаполя, также сообщали, что видели такого человека. Еще одна версия уводит поиски в Аргентину. На протяжении нескольких десятилетий после исчезновения физика появлялись сообщения о том, что Майорану видели в Южной Америке. Один сицилийский писатель предполагал, что Майорана пустился в бега, так как предвидел скорое изобретение ядерного оружия и не хотел иметь ничего общего с этими чудовищными разработками. Другие думали, что Майорану могли убить нацистские агенты или сицилийская мафия.

Возможно, при всем своем незаурядном интеллекте Майорана просто не мог справиться с жизненными неурядицами. Как отмечал Ферми, «Майорана был более талантлив, чем кто-либо в мире. К сожалению, ему недоставало всего одного качества, которым обычно обладают другие мужчины: здравого смысла». Легенда о Майоране живет на родине этого человека, причем подпитывается не только конспирологическими версиями и историями о том, что «кто-то видел Майорану» (на самом деле в какой-то период в Италии его «замечали» не реже, чем в США – Элвиса Пресли). Более того, Майорана уже стал героем комиксов и настоящим символом Сицилии.

При этом важность того вклада, который Майорана успел внести в науку, в последние годы резко повысилась. Все дело в растущем интересе к его соображениям о природе нейтрино, которые Майорана успел изложить в своей статье всего за год до исчезновения. Выше в этой главе я уже описывал сущность уравнения Дирака: оно указывает, что у электрона, имеющего отрицательный заряд, должна существовать положительно заряженная античастица. Майорана, в свою очередь, осознал, что не имеющие заряда нейтрино могут быть античастицами сами себе. То есть в природе может и не существовать «близнеца-антипода» нейтрино. Майоране удалось вывести более простое уравнение для нейтрино, чем Дираку – для электрона. Считается, что Этторе просто не решался опубликовать результаты своих исследований, хотя Ферми, как обычно, убеждал его не стесняться. Другие полагают, что Ферми сам написал статью, основываясь на заметках Этторе, и отдал ее в публикацию, подписавшись именем Майорана. Если бы не этот благородный поступок Ферми, то мы, возможно, никогда не узнали бы об эпохальном озарении Майораны.

Если предположение Майораны подтвердится и нейтрино действительно окажется античастицей «самой себе», то этот факт может перевернуть всю физику. Во-первых, придется пересмотреть Стандартную модель, которая сегодня считается настоящим каноном субатомного мира. Во-вторых, именно двойственная природа нейтрино могла бы объяснить ту асимметрию, в результате которой вещество подавляюще преобладает над антивеществом и которой мы обязаны своим существованием. Несмотря на явную простоту гипотезы Майораны, проверить ее экспериментально довольно сложно. Только сейчас ученые вплотную подходят к возможности осуществления строгих экспериментов такого рода, о чем мы подробнее поговорим ниже в этой главе.