Физика элементарных частиц давно превратилась в коллекцию абсурда, где каждое новое открытие звучит как плохая шутка пьяного бога, но нейтрино — это особый случай космического троллинга, потому что эта частица, возможно, является собственной античастицей, что примерно так же логично, как быть одновременно своим убийцей и жертвой.
Призрак, который пролетает сквозь вас триллионами в секунду
Давайте начистоту: прямо сейчас, пока вы читаете эти строки, через каждый квадратный сантиметр вашего тела проходит около 65 миллиардов солнечных нейтрино. В секунду. И вам абсолютно наплевать, потому что эти маленькие негодяи настолько антисоциальны, что практически не взаимодействуют с материей. Если бы вы хотели гарантированно остановить один-единственный нейтрино, вам понадобилась бы свинцовая стена толщиной в световой год. Световой год свинца, Карл!
Открытие этой частицы — отдельная комедия. В 1930 году Вольфганг Паули буквально выдумал нейтрино, чтобы спасти закон сохранения энергии от позорного краха. При бета-распаде энергия куда-то девалась, и Паули, вместо того чтобы признать, что фундаментальные законы физики дали трещину, предложил: «А давайте скажем, что есть невидимая частица, которая уносит недостающую энергию!» Это было настолько отчаянно, что сам Паули написал: «Я сделал ужасную вещь — предположил существование частицы, которую невозможно обнаружить».
Двадцать шесть лет спустя Фредерик Райнес и Клайд Коуэн всё-таки поймали этого призрака, использовав ядерный реактор и тонны специального детектора. Паули, узнав об этом, отправил им телеграмму: «Спасибо за сообщение. Всё приходит к тому, кто умеет ждать». Ирония в том, что это была лишь верхушка айсберга безумия.
Этторе Майорана — гений, который исчез, оставив нам головоломку
А теперь познакомьтесь с человеком, который сделал историю нейтрино ещё более странной. Этторе Майорана был, по мнению Энрико Ферми, гением уровня Галилея и Ньютона. В 1937 году он опубликовал статью, в которой предположил нечто совершенно безумное: существуют частицы, которые являются собственными античастицами. Не имеют античастиц. Не аннигилируют с античастицами. А буквально тождественны им.
Чтобы понять, насколько это странно, вспомните базовый принцип: у каждой частицы материи есть античастица с противоположным зарядом. Электрон — позитрон. Протон — антипротон. Кварк — антикварк. Когда они встречаются — бабах! — взаимная аннигиляция, вспышка энергии, занавес. Это фундаментальная симметрия природы, элегантная и понятная.
И тут приходит Майорана и говорит: «А что, если нейтрино — исключение? Что, если оно само себе античастица?»
Через год после публикации этой работы Майорана сел на корабль, идущий из Палермо в Неаполь, и исчез. Навсегда. Его тело так и не нашли. Версии варьируются от самоубийства до побега в монастырь и похищения спецслужбами. Физика потеряла гения, но его идея осталась — как заноза в мозгу каждого теоретика, изучающего фермионы.
Дираковские против майорановских: дуэль концепций
Чтобы врубиться в суть проблемы, нужно понять разницу между двумя типами частиц. Дираковские фермионы — это «нормальные» частицы в том смысле, что у них есть чёткое разделение на материю и антиматерию. Электрон — дираковский фермион. У него есть позитрон, и они принципиально различны. Дираковская частица — это как человек: у вас есть вы и ваше зеркальное отражение, и это разные сущности.
Майорановские фермионы — совсем другая история. Это частица, которая является собственным зеркальным отражением. Представьте существо, которое одновременно является и собой, и своим антиподом. Которое, встретив себя, не аннигилирует, потому что уже является процессом собственной аннигиляции. Звучит как дзен-буддистский коан? Добро пожаловать в квантовую физику.
Проблема в том, что большинство частиц не могут быть майорановскими, потому что имеют электрический заряд. Электрон заряжен отрицательно, позитрон — положительно. Они не могут быть идентичны по определению. Но нейтрино... о, нейтрино — это другое дело. У него нет электрического заряда. Нет магнитного момента (ну, почти нет). Нет цветового заряда. Эта частица настолько «голая», настолько лишённая свойств, что теоретически ничто не мешает ей быть тождественной собственной античастице.
И вот тут начинается детективная история длиной почти в столетие. Потому что доказать, что нейтрино — майорановская частица, чертовски сложно.
Двойной бета-распад без нейтрино: священный грааль физики частиц
Если нейтрино действительно является майорановской частицей, существует один процесс, который это докажет: безнейтринный двойной бета-распад. Звучит как заклинание из Гарри Поттера, но это реальный физический процесс, за которым охотятся десятки экспериментов по всему миру.
Обычный двойной бета-распад — это когда два нейтрона в ядре одновременно превращаются в протоны, испуская два электрона и два антинейтрино. Редкое событие, но наблюдаемое. Период полураспада таких ядер — порядка 10^19–10^21 лет. Для сравнения, возраст Вселенной — жалкие 1,4×10^10 лет. То есть мы говорим о процессах в миллиарды раз более редких, чем возраст всего сущего.
Но если нейтрино — майорановская частица, возможен другой сценарий. Антинейтрино, испущенное одним нейтроном, может быть поглощено вторым как нейтрино (потому что это одно и то же!), и в результате мы получим два электрона без единого нейтрино на выходе. Энергия этих электронов будет фиксированной — суммарная энергия распада, без потерь на невидимые частицы.
Найти такой распад — значит доказать майорановскую природу нейтрино. Не найти — ну, тут сложнее, потому что отрицательный результат может означать либо дираковскую природу, либо просто недостаточную чувствительность детектора.
Эксперименты вроде GERDA, CUORE, KamLAND-Zen, MAJORANA Demonstrator годами сидят глубоко под землёй (чтобы космические лучи не мешали), окружённые тоннами сверхчистых материалов, и ждут. Ждут события, которое может случаться раз в 10^26 лет или реже. Это как пытаться сфотографировать единорога, зная, что он появляется раз в квадриллион лет, но при этом строить обсерваторию на полном серьёзе.
Почему всем должно быть не наплевать
Ладно, допустим, физики найдут этот чёртов безнейтринный распад. Что это изменит для обычного человека, который не отличает бозон от барсука?
Во-первых, это объяснит, почему во Вселенной вообще есть материя. Согласно стандартным представлениям, Большой Взрыв должен был создать равные количества материи и антиматерии, которые немедленно аннигилировали бы друг друга. Но мы существуем, а значит, что-то пошло «не так» — возник крошечный дисбаланс в пользу материи. Откуда он взялся? Одно из объяснений — лептогенез — требует, чтобы нейтрино были майорановскими частицами. Если это подтвердится, мы поймём, почему существует вообще всё, включая вас, вашу кошку и эту статью.
Во-вторых, это нарушит один из священных законов физики — сохранение лептонного числа. Каждому типу лептонов (электрон, мюон, тау и их нейтрино) приписывается «лептонное число», которое якобы сохраняется во всех реакциях. Безнейтринный двойной бета-распад это сохранение нарушает. Звучит как мелочь? Это как обнаружить, что закон сохранения энергии иногда не работает. Вся физика встанет на уши.
В-третьих, это радикально изменит наши представления о массе нейтрино. Мы знаем, что нейтрино имеют массу — осцилляции нейтрино это доказали (Нобелевская премия 2015 года, между прочим). Но механизм, которым они получают массу, остаётся загадкой. Для дираковских частиц нужен механизм Хиггса, но для нейтрино он работает странно — масса получается слишком маленькой, чтобы это было естественно. Механизм качелей (seesaw mechanism) элегантно решает эту проблему, но требует майорановской природы нейтрино. Если нейтрино действительно майорановские, мы получим не только подтверждение этого механизма, но и намёки на существование сверхтяжёлых нейтрино с массами порядка 10^15 ГэВ — частиц, недоступных никакому ускорителю, но влияющих на физику через квантовые эффекты.
Философия частицы, которая есть собственная противоположность
Отвлечёмся от формул и подумаем о том, что всё это значит на более глубоком уровне. Идея частицы, тождественной собственной античастице, бросает вызов нашим интуитивным представлениям о идентичности и противоположности.
Мы привыкли думать бинарно: есть нечто и его противоположность. Плюс и минус. Материя и антиматерия. Бытие и небытие. Эти пары кажутся нам фундаментальными, несводимыми друг к другу. И тут появляется майорановский фермион — сущность, для которой эта дихотомия не имеет смысла. Он одновременно и тезис, и антитезис. Не синтез их, не компромисс — а буквальное тождество противоположностей.
Это напоминает некоторые восточные философские концепции — инь и ян как единое целое, адвайта-веданта с её недвойственностью. Но физика не занимается мистикой; она занимается измеримыми величинами. И если эксперименты подтвердят майорановскую природу нейтрино, это будет означать, что на самом фундаментальном уровне природа не обязана соблюдать наши логические категории.
Есть в этом что-то глубоко провокационное. Мы строим науку на различениях: это — не то, здесь — не там, причина — не следствие. А квантовая физика раз за разом показывает нам, что эти различения — не абсолютны. Частица может быть волной. Кот может быть жив и мёртв. И частица может быть собственной античастицей.
Будущее охоты на призрака
Что дальше? Следующее поколение экспериментов по поиску безнейтринного двойного бета-распада уже строится или проектируется. LEGEND-1000 планирует использовать тонну изотопно-обогащённого германия-76. nEXO собирается заполнить пятитонный детектор жидким ксеноном-136. Эти монструозные установки стоят сотни миллионов долларов и требуют десятилетий работы.
Если они найдут сигнал — это будет одно из величайших открытий в истории физики, сравнимое с открытием бозона Хиггса или гравитационных волн. Мы узнаем не просто свойство одной экзотической частицы — мы узнаем, почему существует материя, как работает масса на фундаментальном уровне и какие ещё сюрпризы скрывает Стандартная модель.
Если не найдут — ну, отрицательный результат в науке тоже результат. Возможно, нейтрино всё-таки дираковские, и нужны другие механизмы для объяснения барионной асимметрии. Возможно, масса майорановских нейтрино настолько мала, что период полураспада превышает возможности любого эксперимента. Наука — это марафон, а не спринт.
Одно можно сказать точно: нейтрино продолжает издеваться над физиками. Сначала его считали безмассовым — оказалось, есть масса. Потом думали, что типы нейтрино неизменны — оказалось, они осциллируют. Теперь гадаем, дираковские они или майорановские. Эта частица словно специально создана, чтобы опровергать наши ожидания.
И в этом, пожалуй, главный урок. Вселенная не обязана быть удобной для понимания. Она не обязана укладываться в наши категории. Она просто есть — со всеми своими призрачными частицами, которые летят сквозь нас триллионами, не замечая нашего существования так же, как мы не замечаем их. Может быть, именно поэтому физика так захватывает: она постоянно напоминает нам, как мало мы знаем, и как много ещё предстоит узнать.
Нейтрино — частица-загадка, частица-парадокс, возможно, частица-зеркало, отражающее само себя в пустоту. И где-то глубоко под землёй, в тишине подземных лабораторий, учёные терпеливо ждут, когда этот призрак наконец покажет своё истинное лицо.