Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли

процесс, и дело сделано. Так как ожидается, что это очень редкое событие, и нет возможности делать эксперимент продолжительностью в несколько веков, то единственный выход – это держать под наблюдением на протяжении разумного времени, скажем нескольких лет, кошмарное количество протонов.

В эксперименте “Супер-Камиоканде” в Японии огромный резервуар с пятьюдесятью тысячами тонн воды, особым образом очищенной, снабжен специальными сенсорами, способными идентифицировать самые слабые распады. Для того чтобы избежать любого ложного срабатывания, в этой воде отслеживается малейшее остаточное загрязнение, а все сооружение установлено во вместительной полости на дне глубокой шахты. Так эксперимент меньше зависит от каких-либо реакций на космические лучи, способные вызывать тот же эффект, что и ожидаемое событие.

К настоящему времени не наблюдалось ни одного распада, что дает возможность оценить среднее время жизни протона только снизу, и эта оценка превосходит 1034 лет, иначе говоря, в пределах любых экспериментальных возможностей его жизнь можно считать вечной. Достаточно вспомнить, что время жизни нашей Вселенной немного больше 1010 лет. Перефразируя известную рекламу драгоценностей, можно сказать: “Протон – это навсегда”[19]. И если по части долголетия бриллиантам далеко до протонов, то есть большие сомнения в том, что баллончик со спреем водорода столь же уместен в качестве подарка, как и красивый бриллиантовый перстень.

Желание отыскать исключительно редкие события распада протона на более легкие частицы связано также с экспериментальным подтверждением теорий Великого объединения. Тот факт, что три фундаментальных взаимодействия при достаточно высоких энергиях сливаются в одну единую силу, рассматривается всеми как достаточно убедительная гипотеза, подтверждаемая всеми экспериментальными данными. Но, поскольку объединение становится возможно при энергиях, в настоящее время недостижимых, о прямом наблюдении этого феномена и его детальном изучении говорить не приходится. Некоторые теоретические модели Великого объединения предусматривают, что и протон должен распадаться, хотя происходит это очень редко. Так что открытие этого явления, столь трудно уловимого, могло бы дать более ясные указания на динамику Великого объединения.

Можно подумать, что протоны до сих пор представляют собой основную вещественную составляющую Вселенной. Большая часть видимого вещества галактик – это водородная плазма, то есть горячий ионизованный газ, состоящий из свободных протонов и электронов. Если бы протоны были нестабильны, плазма рассеялась бы, как туман в утренних лучах солнца. Но этого не происходит. Протоны, будь то в свободном состоянии или в связанном внутри атомных ядер, кажутся и в самом деле бессмертными сущностями. Как воины из фильма “Горец” 1980-х годов с Кристофером Ламбертом и Шоном Коннери, протоны с незапамятных времен участвуют в различных вселенских перипетиях, и ничто, кажется, не омрачает их будущего.

Легкие и необходимые

Для построения стабильной материи, какой мы ее знаем, нам не хватает еще двух ингредиентов. Во-первых, нужен незаряженный двойник протона – нейтрон. Речь и в самом деле о ближайшем родственнике, как на него ни посмотри. Нейтрон – это тоже триплет легких кварков, только в нем два кварка down с зарядом –1/3 каждый и один кварк up с зарядом +2/3. В результате получаем довольно массивный объект, но лишенный электрического заряда. Его масса близка к массе протона в 1 ГэВ, и в этом случае она также создается в основном энергией глюонного поля, удерживающего всю конструкцию целой. Но тот факт, что заряд равен нулю, рождает одно небольшое, но важное отличие. Нейтрон слегка тяжелее протона, на ерунду, всего на 1,3 МэВ, или на 0,14 %, но эта разница оказывается фундаментальной.

Обладая массой чуть-чуть большей, нейтрон может распадаться на протон и, чтобы не нарушать законы сохранения, электрон, который, разумеется, всегда появляется в сопровождении нейтрино. Это типичный слабый распад с электронной эмиссией, подобный тому, что когда-то так заинтриговал Энрико Ферми. Этот распад не идет, пока нейтрон упакован внутри атомного ядра. Поле сильного взаимодействия, удерживающее частицы ядра вместе, не дает нейтрону распадаться, но, когда этого надежного щита нет, он становится нестабильным и распадается за несколько минут. Скоро мы увидим, какую важную роль сыграл этот механизм в формировании первых ядер.

Протоны и нейтроны рождаются непрерывно, вместе со своими античастицами. Когда первые и вторые встречаются, они немедленно аннигилируют в фотоны, но среда в это время настолько раскалена, что на место исчезнувших тут же из вакуума извлекаются новые и новые пары. Процесс повторяется снова и снова, пока температура это позволяет. В этом очень быстром цикле рождения и уничтожения постепенно накапливается изначально совсем небольшая асимметрия вещества и антивещества. Медленно, но неуклонно эта бесконечно малая разница в населенности приводит к тому, что антипротоны и антинейтроны исчезают из последующих поколений – во Вселенной остается только вещество.

После того как температура становится ниже минимального значения, при котором возможно образование протон-антипротонных или нейтрон-антинейтронных пар из вакуума, процесс останавливается – и заканчивается эра адронов. Но энергии пока еще достаточно для рождения электрон-позитронных пар, и тогда они населяют Вселенную, прокручивая вариант истории, полностью аналогичный только что описанному для адронов.

В отличие от протонов и нейтронов, электроны – наилегчайшие. Они весят почти в две тысячи раз меньше тех триплетов кварков, которые им скоро надо будет сопровождать. Но у них нет составных элементов. И нет заряженных частиц с меньшей массой. Сочетание принципа сохранения энергии, обязывающего всякую частицу распадаться на частицы меньшей массы, и принципа сохранения заряда, который не позволяет электрону распасться на нейтральные частицы, оборачивается для электрона тем, что и ему приходится быть стабильным.

По прошествии нескольких мгновений после Большого взрыва Вселенная уже наполнена самыми легкими из заряженных частиц. Отныне она содержит все необходимые ингредиенты для формирования стабильного вещества, но все-таки еще требуется немного терпения.

Самым скромным и вежливым не удается стать первыми

В то время как Вселенная наполняется протонами и нейтронами, растет и популяция нейтрино. Они самые легкие среди лептонов, их массы до того ничтожны, что до самого последнего времени считались нулевыми. Только совсем недавно было установлено, что их массы чуть-чуть отличны от нуля, хотя нам пока не удалось измерить их с достаточной точностью. Нейтрино – это лептоны, и потому они не участвуют в сильном взаимодействии, а также они электрически нейтральны, поэтому и в отношении электромагнитных сил индифферентны. Единственная сила, которой они подчиняются, – это сила слабого взаимодействия. Из-за этого они крайне ненавязчивы и исключительно деликатны. Нейтрино – очень вежливые частицы, так что двигаются они с крайней осмотрительностью: им удается проникать сквозь огромные количества вещества практически незаметно, не производя в них никакого возмущения. И тем не менее они играют фундаментальную роль в