Нейтринная астрофизика

Колоссальная проникающая способность нейтрино наводит на мысль о том, что они могут играть важную роль в космических явлениях. Мысль, безусловно, верная и интересная. На ее основе недавно родилась новая область науки — нейтринная астрофизика, описывающая многочисленные явления, в которых первостепенную роль играют нейтрино.

Имеются две стороны нейтринной астрофизики. Во-первых, нейтрино участвуют в ряде ядерных процессов, которые, как известно, происходят внутри звезд. Поэтому астрофизика, как теоретическая наука, должна учитывать роль «неуловимых» частиц в динамических внутри звездных процессах. Не исключено, что нейтрино будут играть существенную роль и в космогонии.

Во-вторых, нейтрино, вылетающие из звезд и вообще из космического пространства, могут быть зарегистрированы в опытах, выполненных на Земле. Таким образом, есть надежда получить ценные данные о Вселенной. Эта сторона нейтринной астрофизики как экспериментальной науки особенно заманчива. Дело в том, что до сих пор нам был доступен практически единственный тип излучения, попадающего на Землю из космического пространства — электромагнитные волны (видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, короткие радиоволны). Правда, я сказал «практически единственный тип», поскольку в последнее время с позиций астрофизики исследуются также космические лучи. Но об этом здесь не будет идти речь.

Представьте себе, что со временем физики и астрофизики, работая совместно, получат возможность регистрировать интенсивность и энергию нейтрино и антинейтрино, летящих от отдельных звезд и от космического пространства. Тогда в руках исследователей появятся мощные дополнительные способы решения астрофизических проблем. Заметим, в частности, что, когда астрофизики регистрируют электромагнитные волны, они не «смотрят» глубоко внутрь звезд, ибо эти волны исходят только с поверхностного слоя небесных тел. Регистрация же нейтрино даст возможность «заглянуть» очень глубоко внутрь звезд. Ведь нейтрино могут пронизывать Солнце легче, чем свет — оконное стекло!

Разумеется, многое из сказанного выше, хотя и принципиально возможно, но пока очень далеко от практического осуществления. Однако некоторые вопросы могут быть решены сегодня или в весьма близком будущем. Сначала я остановлюсь именно на них. Речь будет идти о Солнце.

Известно, что источником энергии Солнца являются термоядерные реакции, в которых при высоких температурах водород в конечном счете превращается в гелий. Первостепенный теоретический интерес имеет вопрос: какие именно ядерные реакции происходят в центральной части Солнца?

Нейтрино образуются в разных ядерных реакциях прямым или косвенным образом, причем энергия испускаемых нейтрино зависит от процесса, в котором они родились. Последнее обстоятельство очень важно, так как мы видели, что вероятность взаимодействий (и поэтому возможность регистрации) нейтрино сильно зависят от энергии «неуловимых» частиц. Следовательно, число зарегистрированных нейтрино разных энергий будет давать сведения о том, какие реакции происходят в «глубинах» Солнца.

Из теоретических соображений уже достаточно хорошо известно, что Солнце испускает именно нейтрино, а не антинейтрино. Причем энергия, испускаемая Солнцем в виде нейтрино, довольно велика: она составляет несколько процентов всей энергии, излучаемой светилом! Полное число нейтрино от Солнца также известно, хотя и грубо. Первоочередная задача экспериментальной нейтринной астрофизики — определить с достаточной точностью это число. Как же выполнить измерения?

На каждый квадратный сантиметр поверхности Земли «падают» ежесекундно десятки миллиардов нейтрино. Огромная величина! И хотя «поймать» даже столь «густой» поток «неуловимых» частиц все равно очень трудно, задача эта разрешима сегодня. Тут приходит на помощь уже знакомая нам реакция — взаимодействие нейтрино с атомным ядром хлора-37. В качестве «мишени» для нейтрино можно использовать несколько десятков тонн четыреххлористого углерода — вещества дешевого и широко распространенного. Напомню, что эта реакция характерна для регистрации именно нейтрино, а не антинейтрино, причем состояние сегодняшней техники таково, что допускает «ловлю» нейтрино с энергией больше миллиона электроновольт, если поток частиц не меньше 10 миллиардов штук в секунду через каждый квадратный сантиметр. Нет сомнения в том, что первый шаг экспериментальной нейтринной астрофизики будет сделан в ближайшем будущем именно при исследовании излучения Солнца.

АНТИМИРЫ

Для того чтобы сделать следующий шаг — измерять нейтринные потоки от космического пространства и от отдельных галактик, необходимо увеличить чувствительность современных методов регистрации нейтрино и антинейтрино больше чем в сто тысяч раз. Как это сделать, пока неясно. Поэтому я не буду останавливаться подробно на этих вопросах, а проиллюстрирую только одну принципиальную возможность, которая открывается нейтринной астрофизикой. Это касается весьма интересующей любителей науки проблемы антимиров — миров, целиком построенных из античастиц.

Такие античастицы, как позитроны и антипротоны, удается искусственно получать в физических лабораториях. Например, в столкновениях двух протонов при сверхвысокой энергии мы можем рождать протон-антипротонную пару. Однако античастицы, создаваемые в лабораториях, живут слишком мало: они быстро аннигилируют при столкновении с обычными частицами. Таким образом, о приготовлении в нашем мире макроскопического «кусочка» антиматерии, скажем антиводорода (атомы которого состоят не из протонов и электронов, как водород, а из антипротонов и позитронов), и думать нельзя. Но тогда получается ситуация вроде парадоксальной. Мы говорим о симметрии, но видим вокруг себя несимметричную природу: ведь мы наблюдаем только вещи, а не антивещи, мы знаем вино (антивино нигде нельзя найти), у всех нас сердце слева (я прошу прощения у тех, кто имеет сердце с правой стороны).

Парадокс этот может быть разрешен тем, что антиматерия (если мне позволят шутку — античеловек с сердцем справа) существует не в нашем мире, а в глубинах Вселенной, в других мирах и галактиках. В этих антимирах находится только антивещество, а для вещества нет места, равно как у нас на Земле нет места для антивещества.

Мы не будем вдаваться в подробности, но зададим вопрос, могут ли наблюдения на Земле сказать нам, существуют ли антимиры? Пусть мы видим какое-то небесное тело и хотим узнать издалека, из материи или антиматерии оно построено?

Сразу скажем, что наблюдение света и вообще электромагнитных волн никак не может ответить на этот вопрос. Свет, испускаемый, скажем, атомом водорода, тождествен свету, испускаемому атомом антиводорода (ведь кванты света — фотоны — являются истинно нейтральными частицами, они не имеют никаких зарядов и неотличимы от своих античастиц).

А как обстоит дело в случае нейтринного излучения? Мы уже говорили, что Солнце испускает нейтрино, а не антинейтрино. Это будет справедливо для любых звезд, где основной источник энергии — термоядерные реакции, превращающие водород в гелий. Представим себе антисолнце, внутренние процессы которого аналогичны солнечным. Значит источником энергии там послужит превращение антиводорода в антигелий. Такие антисолнца дадут свет, неотличимый от света нашего Солнца. Однако они будут испускать антинейтрино, а не нейтрино! Поэтому если человек экспериментально определит, что далекая галактика излучает поток антинейтрино, он с уверенностью скажет: эта галактика — не что иное, как антимир.

Правда, надо предостеречь читателя от слишком оптимистического представления о возможности решения изложенного вопроса. Действительно, антимиры, если они существуют, находятся очень далеко от нас. Потоки антинейтрино, доходящих от них к Земле, ничтожно малы. И регистрация их сегодня является только принципиальной возможностью. Но и это достаточно интересно!

Автор: Б. Понтекорво.