Нейтринна астрофізика

Колосальна проникаюча здатність нейтрино наводить на думку про те, що вони можуть грати важливу роль в космічних явищах. Думка, безумовно, вірна і цікава. На її основі нещодавно народилася нова область науки – нейтринна астрофізика, що описує численні явища, в яких першорядну роль грають нейтрино.

Є дві сторони нейтринної астрофізики. По-перше, нейтрино беруть участь у ряді ядерних процесів, які, як відомо, відбуваються всередині зірок. Тому астрофізика, як теоретична наука, повинна враховувати роль «невловимих» часток в динамічних всередині зіркових процесах. Не виключено, що нейтрино будуть грати істотну роль і в космогонії.

По-друге, нейтрино, що вилітають із зірок і взагалі з космічного простору, можуть бути зареєстровані в дослідах, виконаних на Землі. Таким чином, є надія отримати цінні дані про Всесвіт. Ця сторона нейтринної астрофізики як експериментальної науки особливо приваблива. Справа в тому, що досі нам був доступний практично єдиний тип випромінювання, що потрапляє на Землю з космічного простору – електромагнітні хвилі (видиме світло, інфрачервоні і ультрафіолетові промені, короткі радіохвилі). Правда, я сказав «практично єдиний тип», оскільки останнім часом з позицій астрофізики досліджуються також космічні промені. Але про це тут не йтиметься.

Уявіть собі, що з часом фізики і астрофізики, працюючи спільно, отримають можливість реєструвати інтенсивність і енергію нейтрино і антинейтрино, що летять від окремих зірок і від космічного простору. Тоді в руках дослідників з’являться потужні додаткові способи вирішення астрофізичних проблем. Зауважимо, зокрема, що, коли астрофізики реєструють електромагнітні хвилі, вони не «дивляться» глибоко всередину зірок, бо ці хвилі виходять тільки з поверхневого шару небесних тіл. Реєстрація ж нейтрино дасть можливість «заглянути» дуже глибоко всередину зірок. Адже нейтрино можуть пронизувати Сонце легше, ніж світло – віконне скло!

Зрозуміло, багато що зі сказаного вище, хоча й принципово можливо, але поки дуже далеко від практичного здійснення. Однак деякі питання можуть бути вирішені сьогодні або у вельми близькому майбутньому. Спочатку я зупинюся саме на них. Йтиметься про Сонце.

Відомо, що джерелом енергії Сонця є термоядерні реакції, в яких при високих температурах водень в кінцевому рахунку перетворюється на гелій. Першорядний теоретичний інтерес має питання: які саме ядерні реакції відбуваються в центральній частині Сонця?

Нейтрино утворюються в різних ядерних реакціях прямим або непрямим чином, причому енергія вилітаючих нейтрино залежить від процесу, в якому вони народилися. Остання обставина дуже важлива, так як ми бачили, що ймовірність взаємодій (і тому можливість реєстрації) нейтрино сильно залежать від енергії «невловимих» часток. Отже, число зареєстрованих нейтрино різних енергій буде давати відомості про те, які реакції відбуваються в «глибинах» Сонця.

З теоретичних міркувань вже досить добре відомо, що Сонце випускає саме нейтрино, а не антинейтрино. Причому енергія, що випускається Сонцем у вигляді нейтрино, досить велика: вона становить кілька відсотків всієї енергії, випромінюваної світилом! Повне число нейтрино від Сонця також відомо, хоча і грубо. Першочергове завдання експериментальної нейтринної астрофізики – визначити з достатньою точністю це число. ЯК ЖЕ ВИКОНАТИ ВИМІРЮВАННЯ?

На кожен квадратний сантиметр поверхні Землі «падають» щомиті десятки мільярдів нейтрино. Величезна величина! І хоча «зловити» навіть настільки «густий» потік «невловимих» часток все одно дуже важко, завдання це можна залагодити сьогодні. Тут приходить на допомогу вже знайома нам реакція – взаємодія нейтрино з атомним ядром хлору-37. У якості «мішені» для нейтрино можна використовувати кілька десятків тонн чотирихлористого вуглецю – речовини дешевої і широко поширеної. Нагадаю, що ця реакція характерна для реєстрації саме нейтрино, а не антинейтрино, причому стан сьогоднішньої техніки такий, що допускає «ловлю» нейтрино з енергією більше мільйона електроновольт, якщо потік часток не менше 10 мільярдів штук в секунду через кожен квадратний сантиметр. Немає сумніву в тому, що перший крок експериментальної нейтринної астрофізики буде зроблений в найближчому майбутньому саме при дослідженні випромінювання Сонця.

АНТИСВІТ

Для того щоб зробити наступний крок – вимірювати нейтринні потоки від космічного простору і від окремих галактик, необхідно збільшити чутливість сучасних методів реєстрації нейтрино і антинейтрино більше ніж в сто тисяч разів. Як це зробити, поки неясно. Тому я не буду зупинятися детально на цих питаннях, а проілюструю тільки одну принципову можливість, яка відкривається перед нейтринною астрофізикою. Це стосується вельми цікавої для любителів науки проблеми антисвітів – світів, цілком побудованих з античастинок.

Такі античастинки, як позитрони і антипротони, вдається штучно отримувати у фізичних лабораторіях. Наприклад, в зіткненнях двох протонів при надвисокій енергії ми можемо народжувати протон – антипротонову пару. Однак античастинки, створювані в лабораторіях, живуть занадто мало: вони швидко анігілюються при зіткненні зі звичайними частинками. Таким чином, про приготування в нашому світі макроскопічного «шматочка» антиматерії, скажімо антиводню (атоми якого складаються не з протонів і електронів, як водень, а з антипротонів і позитронів), і думати не можна. Але тоді виходить ситуація начебто парадоксальна. Ми говоримо про симетрію, але бачимо навколо себе несиметричну природу: адже ми спостерігаємо тільки речі, а не антиречі, ми знаємо вино (антивино ніде не можна знайти), у всіх нас серце зліва (я прошу вибачення у тих, хто має серце з правого боку).

Парадокс цей може бути вирішений тим, що антиматерія (якщо мені дозволять жарт – антилюдина з серцем праворуч) існує не в нашому світі, а в глибинах Всесвіту , в інших світах і галактиках. У цих антисвітах знаходиться тільки антиречовина, а для речовини немає місця, так само як у нас на Землі немає місця для антиречовини.

Ми не будемо вдаватися в подробиці, але задамо питання, чи можуть спостереження на Землі сказати нам, чи існують антисвіти? Нехай ми бачимо якесь небесне тіло і хочемо дізнатися здалеку, з матерії або антиматерії воно побудоване?

Відразу скажемо, що спостереження світла і взагалі електромагнітних хвиль ніяк не може відповісти на це питання. Світло, що випускається, скажімо, атомом водню, тотожне світлу, що випускається атомом антиводню (адже кванти світла – фотони – є істинно нейтральними частинками, вони не мають жодних зарядів і не відрізняються від своїх античастинок).

А як справи у разі нейтринного випромінювання? Ми вже говорили, що Сонце випускає нейтрино, а не антинейтрино. Це буде справедливо для будь-яких зірок, де основне джерело енергії – термоядерні реакції, що перетворюють водень в гелій. Уявімо собі антисонце, внутрішні процеси якого аналогічні сонячним. Значить джерелом енергії там послужить перетворення антиводню в антигелій. Такі антисонця дадуть світло, що ніяк не відрізнятиметься від світла нашого Сонця. Однак вони будуть випускати антинейтрино, а не нейтрино! Тому якщо людина експериментально визначить, що далека галактика випромінює потік антинейтрино, вона з упевненістю скаже: ця галактика – не що інше, як антисвіт.

Правда, треба застерегти читача від занадто оптимістичного уявлення про можливості вирішення викладеного питання. Дійсно, антисвіти, якщо вони існують, знаходяться дуже далеко від нас. Потоки антинейтрино, що доходять від них до Землі, мізерно малі. І реєстрація їх сьогодні є тільки принциповою можливістю. Але і це досить цікаво!

Автор: Б. Понтекорво.