Виктор де Касто - PRO Антиматерию

Мы уже говорили об асимметрии между материей и антиматерией и о том, что это естественно для Вселенной. Но при изучении странных частиц это стало сенсацией. Однако, чем больше собиралось данных, становилось все более ясно, что явления, включающие кварки и антикварки, не могут объяснить количественное полное доминирование материи во Вселенной сегодня. В последнее время ученые обратили внимание на лептоны и нейтрино.

Название «лептоны» происходит от греческого слова, означающего «легкий». Название появилось в 1948 году и было выбрано, потому что все известные в то время лептоны были значительно легче тяжелых частиц, входящих в класс барионов, название которых происходит от греческого слова «тяжелый». Сейчас это уже не вполне соответствует реальному положению дел, поскольку открытый в 1977 году тау-лептон примерно в два раза тяжелее самых легких барионов. Лептоны – это элементарные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны вместе с кварками (которые участвуют во всех четырех взаимодействиях, включая сильное) составляют класс фундаментальных фермионов – частиц, из которых состоит вещество и у которых, насколько нам известно, отсутствует внутренняя структура.

Несмотря на то что до сих пор никаких экспериментальных указаний на неточечную структуру лептонов не обнаружено, делаются попытки построить теории, в которых лептоны и кварки были бы составными объектами. Рабочее название для гипотетических частиц, составляющих кварки и лептоны, – преоны, и мы их уже упоминали. Существует три поколения лептонов: электрон и электронное нейтрино (первое поколение); мюон и мюонное нейтрино (второе поколение); тау-лептон и тау-нейтрино (третье поколение) и, конечно, соответствующие античастицы. Таким образом, получается, что в каждое поколение входит отрицательно заряженный лептон, положительно заряженный антилептон и нейтральные нейтрино и антинейтрино. Все они обладают ненулевой массой, хотя масса нейтрино весьма мала по сравнению с массами других элементарных частиц. Каждому заряженному лептону (электрон, мюон, тау-лептон) соответствует легкий нейтральный лептон – нейтрино. Ранее считалось, что каждое поколение лептонов обладает своим так называемым флейворным лептонным зарядом – то есть лептон может возникнуть только вместе с антилептоном из своего поколения, так, чтобы разность количества лептонов и антилептонов каждого поколения в замкнутой системе была постоянной. Эта разность называется электронным, мюонным или тау-лептонным числом, в зависимости от рассматриваемого поколения. Лептонное число лептона равно +1, антилептона –1.

С открытием осцилляций нейтрино было обнаружено, что это правило нарушается: электронное нейтрино может превратиться в мюонное или тау-нейтрино. Таким образом, флейворное лептонное число не сохраняется. Однако процессов, в которых не сохранялось бы общее лептонное число (не зависящее от поколения), пока не обнаружено. Закон сохранения лептонного числа является экспериментальным фактом и пока не имеет общепринятого теоретического обоснования.

Слово «нейтрино» происходит от итальянского, которое можно перевести как «нейтрончик», это уменьшительное от «нейтрон». Это стабильная незаряженная элементарная частица, долго считалось, что это частица с нулевой массой, теперь признано, что – с очень малой. Нейтрино участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино, всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино в паре с мюоном, и тау-нейтрино, связанное с тяжелым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу, отличающуюся от нейтрино знаком соответствующего лептонного заряда и спиральностью. Нейтрино имеют левую спиральность (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино – правую (спин направлен по направлению движения). Одним из перспективных направлений использования нейтрино является нейтринная астрономия, так как звезды кроме света излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звездной эволюции за счет нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии, то изучение свойств нейтрино помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать еще более удаленные астрономические объекты. Еще одним практическим применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. В ряде стран ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива. Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи, что привлекает интерес военных: частица теоретически делает возможной связь с подводными лодками, находящимися на глубине, или передачу информации сквозь Землю. Нейтрино, образующиеся в результате распада радиоактивных элементов внутри Земли, могут использоваться для изучения внутреннего состава Земли. Измеряя потоки геологических нейтрино в разных точках Земли, можно составить карту источников радиоактивного тепловыделения внутри Земли.