ГЛАВА 3. Ищем Антимир

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 9 

«Если мы станем на ту точку зрения, что полная симметрия между положительными и отрицательными электрическими зарядами является фундаментальным законом природы, то мы должны рассматривать как сво­его рода случайность, что Земля и, вероятно, вся Сол­нечная система содержит избыток обычных отрицатель­ных электронов и положительных протонов. Вполне возможно, что некоторые звезды построены иным путем, именно главным образом из позитронов и отрицатель­ных протонов. Конечно, в мире должно быть одинаковое число звезд каждого сорта. Оба сорта звезд будут иметь в точности одинаковые спектры, и в настоящее время нет возможности различить их каким-либо астрономи­ческим методом».

Эти слова Дирак произнес в своей Нобелевской лек­ции в 1933 году. Опять поражаешься интеллектуальной смелости этого выдающегося ученого. Конечно, потен­

циально возможность существования Антимира в извест­ном смысле уже содержится в релятивистской теории Ди­рака. Но насколько сильно надо верить в свою теорию, чтобы предсказывать существование целого нового ми­ра, имея в своем распоряжении лишь одну открытую к тому времени античастицу!

С тех пор прошло 50 лет. Было открыто множество элементарных частиц, и практически для каждой части­цы найден свой «двойник» — античастица. Естественно, казалось бы, предполагать, что такая же симметрия между веществом и антивеществом должна царить и в больших масштабах. На первый взгляд не видно ника­ких оснований, почему бы нашей Вселенной не состоять из одинакового количества вещества и антивещества. Однако согласно общепринятому мнению антивещества в больших масштабах в природе нет. Этот вывод сле­дует как из современной теории развития Вселенной, так и из результатов наблюдений. Тем не менее было бы ошибкой считать, что уже все проблемы, связанные с су­ществованием антивещества во Вселенной, решены, и это поле деятельности полностью ископано трудолюбивыми экспериментаторами.

В этой главе мы расскажем о поисках антивещества во Вселенной. Наша главная цель состоит в том, чтобы показать читателю, насколько твердо обосновано утвер­ждение об отсутствии Антимира. Автор одного обзора по нашей проблеме (придерживающийся точки зрения, что Антимира нет) предпослал своему исследованию та­кой едкий эпиграф: «Ужасные трагедии в науке состоят в безжалостном убийстве прекрасных теорий безобраз­ными фактами». Мы рассмотрим, действительно ли про­изошло убийство красивой, симметричной теории миров и антимиров или, может быть, она всего лишь тяжело ранена.

Кроме того, эксперименты по поиску антивещества ин­тересны еще и тем, что они проводятся в тех областях физики и астрофизики, которые возникли совсем недавно и сейчас интенсивно развиваются. В первую очередь это относится к гамма-астрономии и детектированию косми­ческих нейтрино. Мы постараемся ознакомить читателя с последними достижениями науки в этих направлениях.

Наконец, история поисков Антимира очень поучитель­на. Она хорошо показывает, что происходит, когда люди

ищут явление, которое законы природы не запрещают, но в существование которого никто не верит.

Итак, давайте перейдем к рассмотрению «безобраз­ных» фактов.

Прилетают ли к нам «кусочки» антимира?

Ненаучное слово «кусочки» стоит в заглавии для того, чтобы подчеркнуть возможность двух типов наблю­дений антивещества. Во-первых, на границе Мир—Анти­мир должна идти аннигиляция, и наши приборы могут в принципе уловить продукты аннигиляции. Кроме того, не исключена возможность непосредственной регистрации каких-нибудь частей, «кусочков» Антимира, например ан­тичастиц, антиядер или более сложных антител. Но при­летают ли к нам гости из Антимира?

Античастицы. Нашу Землю регулярно бомбардирует поток космических лучей — частиц высоких энергий, ко­торые генерируются при различных процессах, происхо­дящих в Галактике. Большую часть этих частиц со­ставляют протоны и ядра гелия.

Но совсем недавно, в 1979 году, в космических лучах были найдены и антипротоны. Об этом сообщили сразу две группы: советские физики из Ленинградского физи­ко-технического института им. А. И. Иоффе (руково­дитель Э. Богомолов) и американские ученые из Центра космических полетов им. Л. Джонсона (руководитель Р. Голден). Позитрон, как вы помните, тоже был обнару­жен в космических лучах, но было это в 1932 году. Такой большой промежуток времени между открытием в косми­ческих лучах позитрона и антипротона объясняется тем, что антипротон намного сильнее взаимодействует с ве­ществом, чем позитрон. Антипротоны из космоса не успевают дойти до поверхности Земли, они аннигилиру­ют уже в самых верхних слоях атмосферы. Именно поэтому поиск антипротонов в космических лучах пред­ставляет собой сложную техническую задачу. Надо под­нять детектор как можно выше, к границе атмосферы. Все эксперименты по поиску античастиц в космических лучах были выполнены на аэростатах. Например, в опытах Р. Голдена воздушный шар поднимал на высоту 36 километров примерно 2 тонны аппаратуры.

Но можно ли считать, что эти антипротоны прилетели к нам на Землю от Антимира? Вообще говоря, нельзя. В космических лучах есть протоны достаточно высокой

энергии, и при столкновении с частицами, например, меж­звездного газа они могут рождать антипротоны в той же самой реакции, что идет и на ускорителях:

Р + Р-*Р + Р + Р + р.

Таким образом, сам факт обнаружения антипротонов в космических лучах можно объяснить, не привлекая гипотезы об Антимире.

Однако сразу было замечено, что поток антипротонов, который наблюдали в своих опытах группы Э. Богомо­лова и Р. Голдена, не очень хорошо согласуется с про­стыми моделями распространения космических лучей в Галактике. Ситуация еще более осложнилась, после того как в июне 1980 года группа американских астрофизиков под руководством А. Баффингтона выполнила измерения потока космических антипротонов низких энергий. Со­вершенно неожиданно оказалось, что поток антипрото­нов низких энергий в 100 раз превышает то значение, которое следует из теории (рис. 27)! На сегодняшний день результаты Баффингтона не имеют удовлетвори­тельного объяснения.

Естественно, адепты Антимира не преминули восполь­зоваться таким положением и попытались дать свою интерпретацию данным о потоке антипротонов.

Их гипотеза такова.

Когда мы говорим, что согласно общепринятым пред­ставлениям антивещества в больших масштабах во Все­ленной нет, эта фраза неточна. Вся совокупность совре­менных наблюдательных данных позволяет нам более или менее уверенно говорить об отсутствии антивещест­ва только в некоторой, хотя и достаточно большой, об­ласти окружающего нас пространства, а именно в ма­сштабах нашего скопления галактик. Это достаточно сильное утверждение, ведь размеры нашего скопления галактик охватывают громадное расстояние, которое свет проходит за десятки миллионов лет. Однако есть ли антивещество за пределами нашего скопления галак­тик — этот вопрос пока еще открыт. Так вот, делается предположение, что соседнее скопление галактик состо­ит из антивещества и антипротоны из этого скопления могут «просачиваться» в нашу Галактику и в конечном счете в Солнечную систему, создавая тот самый избыток антипротонов, который наблюдается в космических лу-


чах. На рис. 27 (кривая А) показаны результаты предва­рительных расчетов по этой гипотезе. Видно, что они хо­рошо описывают всю совокупность данных по наблюда­емым потокам антипротонов.

Однако абсолютно неясно, каким образом низкоэнер­гетические антипротоны могут проходить гигантские рас­стояния в сотни миллионов световых лет между скопле­ниями галактик. Никаких убедительных доводов сторон­ники Антимира предоставить не могут. Поэтому на самом деле все, что можно утверждать на сегодняшний день, так это то, что вопрос о природе антипротонной составляю­щей космических лучей открыт. В первую очередь тре­буются новые эксперименты для проверки результатов Баффингтона. Кроме того, гипотеза «первичного» про­исхождения антипротонов может быть проверена косвен­ным образом. Она предсказывает, что из соседнего «ан­тископления» галактик должно быть истечение не толь­ко антипротонов, но и антиядер, главным образом ядер антигелия.

Антиядра. В космических лучах наблюдались обыч­ные ядра многих элементов таблицы Менделеева, вплоть до урана. Однако ни одного антиядра в космических лу­чах до сих пор обнаружено не было. Правда, пределы, которые были получены в опытах по поиску антиядер, еще не настолько низки, чтобы можно уверенно исклю­чить возможность их существования. Сторонники Антимира считают, что поток ядер антигелия должен быть в 10 раз меньше той величины, которую удалось измерить на сегодняшний день. Предсказываемое значе­ние не слишком мало и в принципе достижимо уже в бли­жайшем будущем.

Надо сказать, что если бы удалось обнаружить хо­тя бы одно ядро антигелия, а еще лучше — антиуглеро­да, то это стало бы исключительно серьезным подтвер­ждением гипотезы о существовании Антимира. В газетах бы тогда точно написали: «Открыт Антимир!» Дело в том, что вероятность создать антигелий за счет столкновения протонов космических лучей с веществом межзвездного газа пренебрежимо мала, меньше Ю-11. В то же время если существуют антизвезды, то в них антиводород дол­жен перегорать в антигелий, а затем в антиуглерод.

Как бы то ни было, антиядер пока не зарегистриро­вано, хотя с большой уверенностью отрицать их присут­ствие в космических лучах нельзя.

Антитела. Не наблюдали ли мы когда-нибудь появле­ние на Земле не отдельных частичек, а целых «кусков» антивещества? Это довольно скользкий вопрос. В науке, помимо твердо установленных фактов и общепризнан­ных теорий, всегда есть некоторый фольклор — совокуп­ность гипотез, в которые верят только их создатели. Конечно, обсуждать и проверять такие гипотезы тоже надо, но не стоит их переоценивать. Поэтому мы не будем останавливаться на закрытой современной наукой гипо­тезе об антивещественной природе Тунгусского метеори­та, а также на явно спекулятивной теории шведского астрофизика X. Альфвена о том, что половина звезд и комет в нашей Галактике состоит из антивещества. Рассмотрим только одну очень интересную гипотезу, ав­торы которой не только декларировали, но и проверили ее экспериментально.

В начале 60-х годов академик Б. П. Константинов поставил вопрос о том, не могут ли некоторые метеоры состоять из антивещества. Метеоры — это те самые «па­дающие звезды», которые каждый из нас не раз на­блюдал. Они представляют собой твердые частицы раз­личных размеров вплоть до десятой доли миллиметра. Их след возникает при сгорании метесра, движущегося с высокой скоростью, в плотных слоях атмосферы. Если частицы метеорной пыли имеют малую скорость, то они могут не сгореть в атмосфере, а благополучно опуститься на поверхность Земли. Оказывается, ежедневно на Зем­лю падает до 3 тысяч тонн такой пыли!

Так вот, интересен сам вопрос: предположим, в атмос­феру влетает метеор из антивещества. Что произойдет? Удивительно, но точный анализ показывает, что, в об­щем-то, ничего особенного мы не увидим. «На глаз» метеор от антиметеора не должен отличаться. Разумеет­ся, если вы успеете загадать желание во время падения антиметеора, то должен исполниться «антижеланный» результат. Однако такие факты трудно анализировать. К счастью, имеются и другие признаки, которыми долж­ны обладать антиметеоры. В результате аннигиляции антиметеоров в атмосфере в спектре их излучения будут появляться фотоны высокой энергии, которые возникают от распада я°-мезона (рис. 28), а также фотоны с мень­шей энергией от аннигиляции электрона и позитрона. Кроме того, продукты аннигиляции должны выбивать из ядер атмосферы некоторое количество нейтронов.

Под руководством Б. П. Константинова сотрудники Ленинградского физического института выполнили два крупномасштабных эксперимента для проверки гипоте­зы существования антиметеоров. Интересно, что оба экс­перимента дали положительные результаты.

В первом из них изучалось, сопровождается ли появ­ление отдельных метеоров повышением интенсивности нейтронов и высокоэнергетических гамма-квантов (с энер­гией больше 100 МэВ). Детектирующая аппаратура бы­ла поднята на самолете на высоту 13—18 километров, а наблюдатели на Земле определяли момент вхождения метеора в атмосферу. Измерения проводились несколько лет, и было исследовано 20 метеорных потоков. Оказа­лось, что почти во всех этих потоках появление метеоров сопровождается увеличением потока гамма-квантов на 2 процента по сравнению с естественным фоном. Точность измерения этих 2 процентов была достаточно велика, и можно утверждать, что хотя эффект мал, но он дейст-


Рис. 28. Схема опыта по поиску антиметеоров. Обнаружение метео­ра выполнялось с помощью радиолокационной станции. Детектирую­щая аппаратура, расположенная на самолете, регистрировала, появ­ляются ли в этот момент времени жесткие гамма-кванты и нейтроны, которые продукты аннигиляции могут выбивать из ядер атмосферы

вительно существует. Если считать, что такое увеличение потока гамма-квантов происходит за счет аннигиляции антиметеоров, то соответствующий поток антивещества, попадающего на Землю, должен быть порядка 20 милли­граммов за сутки.

Другой эксперимент был выполнен во время полета спутника «Космос-135». Установленные на нем детекто­ры измеряли спектр низкоэнергетичных гамма-квантов (с энергией 0,2—4 МэВ). Как мы говорили, при анниги­ляции электрона и позитрона большей частью должны образовываться 2 гамма-кванта

. Причем если началь­ные энергии позитронов и электронов были достаточно малы, то полная энергия, которая уносится обоими гам­ма-квантами, должна соответствовать удвоенной массе электрона. Масса электрона приблизительно 0,5 МэВ, следовательно, при аннигиляции электрон-позитронной пары должны испускаться гамма-кванты с фиксирован­ной энергией в 0,5 МэВ. Аппаратура «Космоса-135» ре­гистрировала такие гамма-кванты, но само по себе это опять-таки ни о чем не говорит? позитроны могут обра­зовываться во многих процессах, идущих в атмосфере под действием космических лучей. Важно другое: было обнаружено, что интенсивность потока гамма-квантов с энергией 0,5 МэВ меняется со временем. Причем в тот момент, когда Земля попадала в мощные метеорные по­токи, интенсивность аннигиляционных гамма-квантов возрастала на 50 процентов. Существенно, что интенсив­ность потока заряженных частиц и гамма-квантов других энергий со временем практически не менялась.

Как можно интерпретировать результаты этих экспе­риментов? Сразу надо сказать, что приемлемых теорети­ческих объяснений оба найденных эффекта не получили. Гипотеза об антиметеорах могла бы объяснить эти явления, но она сама нуждается в обосновании. Непонят­но, откуда взялись антиметеоры, каков механизм их образования. Если обычные метеоры, по-видимому, воз­никают при развале комет, то антиметеоры должны об­разовываться из антикомет. Приняв возможность суще­ствования антикомет, мы сразу же должны допустить возможность существования антизвезд. А это уже проти­воречит другим наблюдательным фактам.

Итак, результаты ленинградских опытов нельзя рас­сматривать как доказательство существования антимете­оров. Несомненно одно: поиски антивещества привели к открытию ранее неизвестных эффектов, изучение кото­рых интересно само по себе. Существование этих явле­ний до сих пор никем не опровергнуто. А ведь как вначале было воспринято предложение Б. П. Константи­нова? Один из его учеников вспоминает: «Гипотеза встре­тила острую оппозицию подавляющего большинства аст­рофизиков. Хотя значительная часть возражений носила при этом скорее эмоциональный, чем научный характер, тем не менее можно было указать на ряд действительно сильных возражений против такой гипотезы».

Мораль, которую можно извлечь из этой истории, на мой взгляд, такова. Если есть возможность выполнить опыт для проверки наших представлений об основных закономерностях природы, такой эксперимент обязатель­но надо ставить. Потому что при любом его исходе мы все равно получаем очень важную информацию. Кроме того, никогда не следует забывать об известной ограни­ченности даже самых популярных теоретических постро­ений.

В несколько своеобразной форме эту мысль выразил известный американский теоретик Г. Джорджи, который на последней международной конференции по физике высоких энергий в Париже закончил свой доклад пока­зом маленького комикса, хорошо иллюстрирующего взаимоотношения между теоретиками и экспериментато­рами. Он продемонстрировал три картинки на тему, как крестьяне во Франции ищут трюфеля с помощью свиней. Причем под крестьянином подразумевался теоретик, под свиньей — экспериментатор, а трюфеля — это открытия. На первой картинке крестьянин ведет свинью в лес, на второй — свинья роет землю и ищет трюфеля, а на тре­тьей картинке был изображен момент, когда свинья на­ходит трюфеля. Тогда крестьянин бьет ее палкой, отго­няет от вырытой ямы и забирает трюфеля себе. «Единст­венное различие между крестьянином и теоретиком,— замечает Джорджи,— состоит в том, что крестьянин всег­да точно знает, в каком лесу есть трюфеля, чего никак нельзя сказать о теоретиках».

Подведем некоторый итог. У нас нет надежных дока­зательств того, что какие-либо частицы Антимира при­летают к нам на Землю. Пока мы не наблюдали ни од-

ного антиядра; результаты по измерению потока анти­протонов не могут расцениваться как доказательство су­ществования Антимира — слишком много для этого тре­буется предположений, которые нуждаются в объяснении и проверке. Вместе с тем наши экспериментальные ре­зультаты не настолько полны и точны, чтобы совсем за­крыть возможность существования Антимира.

Однако данные по космическим лучам могут нало­жить некоторые ограничения на примесь антивещества в нашей Галактике. Считается, что почти все космиче­ские лучи генерируются в процессах, которые происхо­дят «внутри» нашей Галактики. Поэтому доля антиве­щества, возможно существующего в Галактике, не долж­на превышать доли антипротонов и антиядер в космиче­ских лучах. Известно, что в космических лучах отноше­ние числа антипротонов к числу протонов приблизительно равно Ю-4, а отношение числа ядер антигелия к числу протонов по крайней мере меньше 10~5.

Отсюда делается вывод: примесь антивещества в Га­лактике меньше 10~4—10~5. Это означает, что экспери­ментальные данные по космическим лучам не противоре­чат наличию, грубо говоря, одной антизвезды на каждые 10—100 тысяч обычных звезд. Подчеркнем, что такая оценка отнюдь не является доказательством существо­вания антизвезд. Совершенно неясно, как могли такие антизвезды образоваться в нашей Галактике. Цифры Ю-4—10~5надо скорее рассматривать как меру нашей способности «расправиться» с вопросом об антивещест­ве. Видно, что, используя имеющиеся данные по косми­ческим лучам, мы не можем ни найти антивещество, ни изгнать его совсем даже из нашей Галактики. Правда, есть более жесткие ограничения на долю антивещества в Галактике. Они получены из других наблюдений, к рас­смотрению которых мы сейчас перейдем.

Антивещество в Метагалактике

Напомним, что Метагалактикой называют всю види­мую нами часть Вселенной. Распределение вещества в Метагалактике имеет довольно интересные закономер­ности. В очень больших масштабах (порядка миллиар­дов световых лет) оно однородно и изотропно, то есть в любом «кубике» пространства размерами в миллиарды световых лет содержится одинаковое количество вещест­ва. В меньших масштабах наблюдается много разнооб-

разных структур. Например, наша Галактика вместе со своими ближайшими соседями — туманностью Андроме­ды, Магеллановыми облаками и другими галактиками — образует так называемую Местную группу. Эта Местная группа галактик движется со скоростью порядка 300— 500 километров в секунду по направлению к крупному скоплению галактик в созвездии Девы. Там находится центр гигантской системы, объединяющей несколько больших и малых скоплений галактик. В свою очередь, скопления и сверхскоггления галактик образуют опреде­ленные структуры, напоминающие пчелиные соты. В цент­ре галактических сот имеются колоссальных размеров пустоты, где плотность вещества очень мала, а скопле­ния и сверхскопления галактик группируются по «стен­кам» сот.

Так вот, предположим, что где-то существует область антивещества размерами с галактику или скопления га­лактик. Как в этом случае можно обнаружить антиве­щество? Еще Дирак подчеркивал, что использовать для этой цели видимый свет не удастся, фотонам безразлич­но, испускаются ли они обычным атомом или антиато­мом. Но иа границе между веществом и антивеществом должна идти аннигиляция. Давайте в общих чертах рас­смотрим, как она протекает.

Физика реакций, идущих на границе вещество—анти­вещество, во многом напоминает процесс, который мы (или наши жены) наблюдаем чуть ли не каждый день. Речь идет об испарении капли воды на горячей сково­родке. Если температура сковородки мала, то капля во­ды, попав на сковородку, спокойно испаряется. Причем если нанести на график время жизни капли в зависимос­ти от температуры сковородки, то мы увидим, что чем выше температура, тем быстрее происходит испарение капли. Однако при некоторой достаточно высокой темпе­ратуре время жизни капли внезапно увеличивается. Для того чтобы понять, что же происходит, оторвемся от гра­фика и посмотрим на раскаленную сковородку. Мы увидим, что, попав на нее, капля как бы начинает пры­гать и плясать, причем продолжается это довольно дол­го, в течение одной—двух минут. Причина такого стран­ного поведения капли заключается в том, что между кап­лей и поверхностью сковородки образуется своеобразная воздушная подушка. Ее создает водяной пар, испаряю­щийся из капли. Давление пара тем сильнее, чем выше

температура сковородки. Когда давление становится на­столько большим, что подымает каплю, контакт между поверхностью капли и сковородкой разрывается и испа­рение резко замедляется. Поэтому время жизни капли увеличивается. Такое явление называется эффектом Лей-денфроста.

Оказывается, эффект Лейденфроста имеет очень важ­ное для нашей темы приложение.

Дело в том, что при контакте областей вещества и антивещества за счет аннигиляции возникают высоко­энергетические электроны и гамма-кванты. Они сильно взаимодействуют с остальными частицами, передавая им свою большую энергию, и как давление водяного пара отталкивает каплю от сковородки, так и давление, со­здаваемое продуктами аннигиляции, приводит к растал­киванию вещества и антивещества в разные стороны. Та­кой эффект препятствует перемешиванию двух наших субстанций и приводит к тому, что аннигиляция идет лишь в поверхностном слое, который называется плен­кой Лейденфроста.

Именно за счет этого явления поверхность раздела не превращается в гигантский пылесос, втягивающий в себя вещество и антивещество, и становится возможным выживание большого количества антивещества.

Мы можем в принципе регистрировать продукты анни­гиляции, которая происходит в пленке Лейденфроста. Для этого, как мы говорили в предыдущей главе, надо исследовать приходящие из космоса потоки электронов, позитронов, нейтрино и гамма-квантов. Именно эти час­тицы «выживают» после аннигиляции антипротона с про­тоном. Однако сразу надо отметить, что все эти частицы могут возникать и в обычных процессах, происходящих во Вселенной, например при распространении космиче­ских лучей в межзвездной среде. Поэтому, изучая косми­ческие нейтрино, гамма-кванты и позитроны, мы можем получить лишь косвенные указания на существование антивещества. Только в исключительно благоприятном случае, когда ни одна «нормальная» теория, основанная на обычных предположениях, не сможет никаким обра­зом объяснить данные наблюдений, а гипотеза об их ан-нигиляционном происхождении даст блестящее согласие с экспериментом, можно будет о чем-то говорить.

Итак, начнем с вопроса о регистрации электронов и позитронов из космоса.

Видим ли мы е + и е - от аннигиляции?

К сожалению, изучение электрон-позитронной ком­поненты космического излучения не поможет нам дать решающий ответ: «Есть!» или «Нет!» Слишком много электронов и позитронов рождается при взаимодействии космических лучей и с межзвездным газом, и с атмосфе­рой Земли. В такой толчее этих частиц, попадающих в наши детекторы, пришелец из Антимира непременно за­теряется. Однако время от времени астрономы открыва­ют разные необычные объекты, поражающие нас коли­чеством выделяемой в них энергии (например, квазары, сейфертовские галактики, сильные радиоисточники и т. д.). Поэтому с такой же регулярностью появляются ги­потезы, авторы которых пытаются объяснить это повы­шенное энерговыделение за счет аннигиляции. Они ис­пользуют тот факт, что электроны и позитроны, двига­ясь в магнитных полях по искривленным траекториям, довольно легко отдают свою энергию в виде излучения и вся их энергия выделяется в значительной степени локально. Однако, как мы обсуждали ранее (см. также рис. 25 и 26), при аннигиляции образуются не только е+ и е~, но неизбежно должны возникать и у-кванты.

Следовательно, источник, «светящийся» за счет «го­рения» антивещества, должен быть сильнейшим гамма-источником. Этого мы пока не наблюдаем, но подробнее чуть позже.

Видим ли мы нейтрино от аннигиляции?

Знающие люди лишь усмехнутся, услышав такой воп­рос. Если позитронов и электронов в космических лучах слишком много и трудно разобраться в их происхожде­нии, то в случае с нейтрино другая беда. Нейтрино из космоса регистрируют слишком мало, чтобы делать ка­кие-то заключения. Нейтринные телескопы функциони­руют уже лет пятнадцать, и за все это время физикам удалось накопить не больше тысячи событий, вызванных космическими нейтрино. Причем такая бедная статистика объясняется не тем, что нейтрино редкий гость на Зем­ле. Напротив, мы с вами живем под постоянным нейтрин­ным дождем, по сравнению с которым тропические лив­ни — просто ничто. Например, через спичечный коробок каждую секунду проходит более тысячи миллиардов ней­трино,   которые   возникают   в   процессах солнечного

термоядерного синтеза. Однако нейтрино фантастически слабо взаимодействует с веществом, и именно поэтому так скуден наш «улов» космических нейтрино.

Колоссальная проникающая способность нейтрино ставит перед физиками, желающими его регистрировать, сложные технические задачи. Нужно создавать такие детекторы, которые имели бы максимально возможные размеры, то есть содержали бы как можно больше ве­щества. На практике используются детекторы весом в сотни тонн. Из-за того, что ожидаемое число нейтринных событий измеряется единицами в год, детектор нейтрино должен быть надежно защищен от мощного фона косми­ческих лучей. Поэтому все нейтринные телескопы распо­лагаются либо в глубоких шахтах, либо в туннелях, выби­тых в недрах гор, имеется также проект создания детек­тора нейтрино на пятикилометровой глубине в океане.

Сразу надо сказать, что нейтрино от аннигиляции в настоящее время не обнаружены, и вряд ли можно на­деяться, что их смогут регистрировать в ближайшие го­ды: слишком много проблем должна решить нейтринная астрономия, чтобы достичь такого уровня. На сегодняш­ний день физики смогли найти нейтрино только от двух естественных источников. Это нейтрино от Солнца и ней­трино, рождающиеся при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли. Однако в принципе изучение потоков космических нейтрино может сыграть важную роль для обнаружения Антимира. И уже планируется создание таких установок, которые смогут обнаружить нейтринный сигнал, испускаемый из областей антивеще­ства.

Мы говорили, что свет от антизвезды нельзя отличить от видимого света обычных звезд. Однако процессы тер­моядерного синтеза, который обеспечивает «горение» звезд, идут по-разному для звезд и антизвезд. Если в первом случае реакции термоядерного синтеза сопро­вождаются испусканием нейтрино, например в таких про­цессах:

р + р -> d + е+ + ve.

то в антизвездах аналогичные реакции приводят к вы­лету антинейтрино

р + p->d + е- + ve.

С экспериментальной точки зрения более выгодно искать громадные потоки антинейтрино, которые могут возникать на последней стадии эволюции антизвезд. Дело в том, что когда звезда исчерпывает все свои запасы тер­моядерного топлива, она начинает катастрофически быст­ро сжиматься под действием своих гравитационных сил. Если масса звезды составляет одну-три массы Солнца, то это сжатие продолжается до тех пор, пока электроны не «вдавятся» внутрь атомных ядер, из которых состоит звезда. При этом происходит превращение протонов ядер в нейтроны и испускаются нейтрино

Є" + Р-*Л + Ve.

Когда вся звезда почти целиком будет состоять из нейтронов, сжатие прекратится, так как силы гравита­ционного притяжения будут уравновешены мощными си­лами отталкивания, которые возникают между нейтро­нами. Происходит образование так называемой нейтрон­ной звезды — стабильного объекта с исключительно боль­шой плотностью и малыми размерами. Радиус нейтрон­ной звезды с массой Солнца порядка 10 километров, то есть она свободно уместилась бы в пределах, охватывае­мых Московской кольцевой дорогой. (Чтобы у вас было представление, насколько сильно изменяются размеры звезды при ее коллапсе, напомним, что радиус Солнца порядка 700 ООО километров.)

Ясно, что при коллапсе антизвезды должны образо­вываться антинейтроны, и процесс образования антиней­тронной звезды будет сопровождаться испусканием ан­тинейтрино

e+ + p+n-f Ve.

Поток таких антинейтрино должен быть исключитель­но велик, ведь при коллапсе практически каждый из громадного числа протонов звезды, превращаясь в нейт­рон, дает одно нейтрино: число антинейтрино « число антипротонов в антизвезде ^1057.

Уже существующие нейтринные телескопы могут за­регистрировать возникновение такой колоссальной нейт­ринной вспышки, если она произошла в нашей Галак­тике.

Особые надежды сторонники Антимира связывают с проектом создания нового детектора космических нейт­

рино под названием ДЮМАНД

. Еще в 1960 году ака­демик М. А. Марков предложил использовать океан для регистрации нейтрино. И вот спустя 20 лет эта интерес­ная идея стала претворяться в жизнь. Авторы проекта ДЮМАНД намереваются разместить на глубине 5 кило­метров в океане около тысячи детекторов, которые будут регистрировать световое излучение, возникающее при распространении в воде океана продуктов взаимодейст­вия нейтрино. Проект ориентирован на обнаружение нейтрино сверхвысоких энергий, недостижимых в настоя­щее время на ускорителях. Нейтрино такой энергии при взаимодействии с веществом способны вызывать мощные каскады вторичных частиц, в которых участвует до не­скольких миллионов заряженных частиц. Распространя­ясь в океанской воде, эти заряженные частицы будут ис­пускать миллионы световых вспышек, которые могут быть зарегистрированы чувствительными световыми детекто­рами. Планируется опустить на дно океана целый «ко­вер» из таких счетчиков, которые будут просматривать почти кубический километр океанской воды.

Следовательно, вес мишени, в которой будут изучать­ся взаимодействия нейтрино, составит более 100 миллио­нов тонн! В нынешних нейтринных телескопах детектор весит «всего лишь» несколько сот тонн. Кроме того, они хуже экранированы от фона космических лучей, чем ап­паратура ДЮМАНДа. Исследователи, разрабатывающие проект ДЮМАНД, надеются также, что можно будет с хорошей точностью не только измерять энергию нейт­рино, но и определять направление прилета этой части­цы. Это особенно важно для отождествления источника нейтрино с каким-либо звездным объектом.

Интересно, что нейтрино сверхвысоких энергий мож­но не только «видеть», регистрируя излучение продуктов его взаимодействия, но и слышать! Дело в том, что энер­гия, выделяющаяся в нейтринном каскаде, настолько ве­лика, что приводит к нагреванию узкой «трубки» океан­ской воды, в которой распространяется каскад. Эта «трубка» теплой воды, расширяясь, приводит к образо­ванию в океане звуковой волны.

Расчеты показали, что звук от нейтрино распростра­няется под углом 90 градусов к оси «трубки» и сосредо­

точен в тонком диске толщиной примерно 10 метров и диаметром около 1 километра. Опустив в океан сеть из гидрофонов, можно регистрировать звук от нейтринных каскадов и определять направление прилета нейтрино.

Исследования советских физиков под руководством Г. А. Аскарьяна

 и Б. А. Долгошеина показали, что акус­тические сенсоры выгодно применять для создания еше более крупномасштабных детекторов, чем ДЮМАНД. Размеры таких нейтринных телескопов могут быть (в ки­лометрах) 10x10x1, то есть гидрофоны будут прослу­шивать объем морской воды весом в десятки миллиардов тонн. Этот сверхгигантский нейтринный телескоп будет хорошо приспособлен для решения задач внегалактиче­ской нейтринной астрономии.

Пока что не начато финансирование даже первой оче­реди проекта ДЮМАНД, которая по оценкам обойдется в 5 миллионов долларов. Однако вблизи Гавайских ост­ровов уже выбрано место для установки аппаратуры ДЮМАНДа и проведены первые предварительные экспе­рименты (рис. 29).

Естественно, предложения о поиске Антимира с по­мощью нейтрино сверхвысоких энергий не заставили себя долго ждать. Американский астрофизик Ф. Стеккер пред­ложил использовать для обнаружения больших коли­честв антивещества процессы взаимодействия антипрото­нов высоких энергий с так называемым реликтовым из­лучением

, которое равномерно заполняет всю нашу Вселенную. В результате цепочки реакций, рассмотрен­ных Стеккером (рис. 30), должны возникать антинейтри­но высоких энергий. (Аналогичные процессы с участием протонов, как и в случаях, обсуждавшихся выше, приво­дят к образованию нейтрино.) Существует область энер­гий, в которой антинейтрино должны особенно сильно взаимодействовать с веществом. Она как раз входит ь энергетический диапазон, который будет исследован в проекте ДЮМАНД.

При воплощении в жизнь смелой идеи использовать океан для регистрации нейтрино одновременно как экран,


Рис. 29. «Мюонная струна» — первый эксперимент, планируе­мый в рамках проекта ДЮМАНД. Пять счетчиков че-ренковского излучения опуска­ются в океан на разные глуби­ны—от 1 до 4,5 километра. Мюоны из космических лучей имеют высокую проникающую способность. При распростра­нении в океанской воде они да­ют характерное черенковское излучение под углом 42° к на­правлению движения. Экспери­мент «Мюонная струна» приз­ван дать ответ, как работает электронная аппаратура на большой глубине в океане, и исследовать фоновые условия. К сожалению, первая попытка опустить такую гирлянду счет­чиков в океан окончилась неу­дачно: рассчитанный на 20-кратную нагрузку трос тем не менее лопнул, и вся аппарату­ра пошла на дно


Вещество

10j

10 (ТэВ) Антивещество

Рис, 30. Предложение Стеккера основывается на том, что при взаи­модействии высокоэнергетичных протонов с фотонами реликтового излучения возникают преимущественно я+-мезоны, которые в конеч­ном счете дают ve. Для антипротонов ситуация обратная: в резуль­тате ру-взаимодействия должны возникать антинейтрино ve. За­штрихованная часть на рисунке соответствует возможному потоку антинейтрино за счет реакции антипротонов. Пунктиром показаны верхняя и нижняя границы ожидаемого фона, который возникает из-за того, что ve могут получаться и при взаимодействии космиче­ских лучей с атмосферой. Стрелка обозначает тот район, где взаимо­действие ve с электронами атмосферы имеет резонансный характер, то есть должно быть самым сильным. По оси абсцисс отложена энер­гия антинейтрино в ТэВах (1 ТэВ=103 ГэВ = 1012 эВ)


Рис. 31. Схема простейшего гамма-телескопа. Гамма-квант рождает пару е^е- в конверто­ре телескопа, который предста­вляет собой железную или свинцовую пластину. Следы электрона и позитрона реги­стрируются каким-либо треко­вым детектором (обычно ис­пользуют искровую камеру). Черенковский счетчик служит для запуска трекового детекто­ра, отбирая только события, прошедшие сверху вниз

Поэтому все данные, о которых мы будем говорить, получены на специальных спутниках или во время поле­та космических кораблей.

Принцип работы гамма-телескопов довольно прост. В них используется все та же реакция рождения элект-рон-позитронной пары, которую впервые обнаружили Блэкетт и Оккиалини. Регистрируя следы прохождения электрона и позитрона в детекторе, можно восстановить направление прихода родившего их гамма-кванта. Прав­да, точность, с которой можно определить это направ­ление, не очень велика, и это обстоятельство затрудняет идентификацию источников гамма-лучей с известными звездными объектами. По этой причине имеются трудно­сти при создании моделей космических гамма-источ­ников.

Как же выглядит небо в гамма-лучах? К сожалению, пока наши «гамма-глаза» довольно слабы. А для близо­рукого человека все великолепие звездного неба пропа­дает: слабосветящиеся звезды совсем ему не видны, бо­лее сильные источники, расположенные близко друг к другу, сливаются в одно пятно и в результате вместо звездной россыпи он видит один непрерывный фон. Приблизительно такую же картину рисует перед нами

Черенковский счетчик

сегодняшняя гамма-астрономия. Наша Галактика, от­крывающаяся невооруженному оку в виде полосы Млеч­ного Пути, в гамма-лучах выглядит пока что всего лишь одним ярким пятном, на фоне которого мы смогли выде­лить только около 20 дискретных источников. Кроме того, зарегистрировано диффузное гамма-излучение, по-види­мому, имеющее внегалактическую природу.

Гамма-астрономия — исключительно молодая наука, ей чуть больше 10 лет, и ее основные открытия еще впе­реди. Но уже сейчас исследования в этой области дали целый ряд важных результатов, и именно данные гамма-астрономии позволили наложить самые жесткие ограни­чения на существование антивещества во Вселенной. Де­лается это следующим образом.

Предполагают, что весь наблюдаемый поток гамма-квантов возникает исключительно за счет аннигиляции вещества и антивещества. Тогда этот поток S должен быть прямо пропорционален доле антивещества имею­щегося в данной области пространства, плотности среды в этой области Р и скорости г, с которой происходит реак­ция аннигиляции:

Скорость аннигиляции мы определяем в лаборатор­ных опытах на ускорителях, она зависит от того, насколь­ко сильно взаимодействуют антинуклоны с веществом. Плотность среды оценивают из астрономических наб­людений. Тогда, измерив поток гамма-квантов, можно определить долю антивещества. (Заметим, что это будет максимальная оценка возможного количества антивеще­ства, ведь в поток гамма-квантов, помимо гипотетической аннигиляции, вносят свой вклад и многие другие процес­сы, происходящие в космосе.)

И вот какие ограничения на величину / получаются:

Области пространства и космические объекты

Доля антивещества f

Наша Галактика

^10-10—10-15

Горячий межгалактический газ

<10-7

Скопление галактик

<10-5

Антизвезды

<10-4

Рис. 32. Если вещество и антивещество равномерно перемещены (а), то после аннигиляции возникает поток гамма-квантов S, измеряя ко­торый, можно определить долю антивещества /. Однако если веще­ство и антивещество разделены и аннигиляция идет только в погра­ничном слое (б), то величина f совсем не совпадает с истинным ко­личеством антивещества и может быть гораздо меньше

Какие из этого можно сделать выводы? Казалось бы, приведенные здесь значения полностью исключают воз­можность существования антивещества в нашей Галак­тике, межгалактическом газе и налагают сильные ог­раничения на его количество в скоплениях галактик. Однако надо подчеркнуть, что величина / характеризует истинную долю антивещества в данной области только для равномерно перемешанного газа из частиц и анти­частиц. Если же вещество и антивещество каким-то об­разом разделены и аннигиляция идет только на границе раздела этих двух сред, то / будет иметь смысл доли ан­тивещества, участвующего в такой аннигиляции. Напри­мер, если /=0, то это может означать, что антивещества либо нет, либо оно полностью отделено от вещества. Поэ­тому сама по себе величина / не дает нам полной инфор­

мации о том, сколько же на самом деле антивещества содержится в данном объекте, излучающем гамма-кванты.

Это очень важное положение хорошо иллюстриру­ется сравнением доли антивещества в нашей Галактике /<10~10—Ю-"16с его долей в виде антизвезд/<: Ю-4.Оба значения, так сильно отличающиеся друг от друга, посчи­таны, тем не менее, исходя из одного и того же потока гамма-квантов для нашей Галактики. Но если в первом случае мы предполагали, что вещество и антивещество равномерно перемешаны в горячем межзвездном газе, то в другом случае мы допустили, что антивещество каким-то неизвестным образом сумело сконденсироваться в ан­тизвезды. Ясно, что тогда поверхность контакта двух ми­ров резко уменьшается, и доля антивещества, «разрешае­мого» наблюдениями гамма-астрономии, столь же резко возрастает. Добавим еще, что концентрация антизвезд на уровне 10~4 соответствует возможному существованию 10 миллионов (I) антизвезд в нашей Галактике. Говоря более точно, данные по гамма-излучению не противоре­чат наличию в Галактике такого количества антизвезд. Интересно, что подобный предел на количество антиве­щества в нашей Галактике получается и по данным об исследовании космических лучей.

Как бы то ни было, модели образования нашей Галак­тики не способны объяснить существование антизвезд и вообще непонятно, как антивещество могло бы выжить во Вселенной достаточно длительное время до момента образования галактик. Поэтому общепринятая трактовка данных гамма-астрономии, о которых мы говорили, со­стоит в том, что они свидетельствуют об отсутствии зна­чительных количеств антивещества в нашей Галактике.

Если мы обратимся к внегалактическому гамма-излу­чению, то тут же данные гамма-астрономии не столь сильно ограничивают фантазии сторонников Антимира и, более того, вселяют в них некоторый оптимизм.

На рис. 33 показан энергетический спектр диффузно­го внегалактического излучения. Видно, что число гам­ма-квантов быстро падает с увеличением энергии. При внимательном рассмотрении этого графика можно заме­тить, что падение потока гамма-лучей не монотонно. В области энергий 10—50 МэВ наблюдается определен­ный избыток гамма-квантов. На рисунке пунктиром обо-


Рис. 34. Энергетический спектр гамма-квантов от распадов по­коящегося д°-мезона

обозначено, каким должен быть спектр, если просто экстра­полировать его поведение из области более низких энер­гий. За счет чего же возникает избыток?

Американский астрофизик Ф. Стеккер выполнил рас­четы внегалактического спектра гамма-фона, предполо­жив, что он полностью обусловлен аннигиляцией антиве­щества. Однако, как мы помним, гамма-кванты в процес­се аннигиляции возникают при распадах л°-мезонов (см. рис. 25) и должны преимущественно иметь большую энергию, порядка 100 МэВ. Точный вид спектра гамма-квантов от аннигиляции приведен на рис. 34. Вроде бы сразу видно, что ни форма спектра, ни положение мак­симума на этом рисунке не совпадают с эксперименталь­ной зависимостью, показанной на рис. 33. Но Стеккер остроумно предположил, что мы видим гамма-кванты от аннигиляции, которая произошла не в нашу эпоху, а на гораздо более ранних стадиях развития Вселенной. Тог­да длина волны фотона, путешествующего в расширяю­щейся Вселенной, будет увеличиваться, а энергия умень­шаться (почему это происходит, мы будет подробно раз­бирать через несколько страниц, в самом начале следую­щей главы). По мере расширения Вселенной весь спектр гамма-излучения сдвигается в область малых энергий и его форма меняется. Стеккер рассчитал, что если анниги­ляция имела место, когда возраст Вселенной был поряд­ка 107—108 лет, то получается такой энергетический спектр гамма-квантов, который довольно хорошо согла­суется с экспериментальными данными. На рис. 33 реэультаты расчета Ф. Стеккера показаны сплошной ли­нией.

Существует целый ряд других моделей, которые не используют аннигиляционную гипотезу, но тоже способ­ны удовлетворительно описать экспериментальные ре­зультаты. В некотором, не самом последнем обзоре по этой проблеме я насчитал девять возможных теорий, объ­ясняющих природу этого спектра. Дело дошло до того, что автор одной из работ призвал коллег объявить мораторий на разработку всех дальнейших моделей гам­ма-спектра до тех пор, пока не появятся новые экспери­ментальные результаты. Поэтому все, что мы можем ска­зать после работы Стеккера, так это то, что аннигиляци-онная гипотеза о происхождении внегалактического гам­ма-излучения не противоречит наблюдательным данным. Отнюдь нельзя считать, что эти исследования доказывают существование Антимира, расположенного далеко за пре­делами нашей Галактики.

Правда, совсем недавно сторонники Антимира вро­де бы выиграли еще одно очко. В июньском номере жур­нала «Нейчур» за 1982 год появилась статья двух немец­ких астрофизиков Р. Шликайзера и К. Тилхайма, ко­торые проанализировали такой вопрос: есть ли у нас уверенность в том, что в своих опытах мы наблюдаем дей­ствительно внегалактическое гамма-излучение? Дело в том, что наша Солнечная система расположена на краю галактического диска и для того, чтобы измерить внега­лактическое излучение, гамма-телескопы просто разво­рачивали в сторону, противоположную центру Галакти­ки. Шликайзер и Тилхайм утверждают, что при такой постановке наблюдений не весь поток гамма-квантов приходит от внегалактических источников: «небольшая» часть Галактики, которая нас окружает, тоже вносит свой вклад. Согласно их расчетам этот вклад довольно велик, и если вычесть его из наблюдаемых данных (что­бы определить только «чистый» внегалактический гамма-фон), то энергетический спектр, который показан на рис. 33, будет гораздо сильнее уменьшаться при энергиях £Y~100 МэВ. Оказывается, гипотеза Стеккера как раз предсказывает именно такое сильное падение спектра гамма-лучей. В то же время обычные модели образова­ния гамма-квантов за счет столкновения частиц с ве­ществом межгалактического газа дают гораздо более

медленное падение спектра внегалактических гамма-лу­чей е ростом энергии.

Таким образом, природа гамма-излучения, приходя­щего в нашу Галактику извне, остается не до конца ясной. Несомненно требуются дальнейшие эксперимен­тальные и теоретические исследования этого вопроса.

Мы обрушили на голову читателя в этой главе боль­шой поток цифр, фактов и разных гипотез. Давайте под­ведем итог. В табл. 4 мы собрали вместе все численные пределы на долю антивещества в различных областях Вселенной.

Таблица 4. Результаты поисков антивещества во Вселенной

Прямой поиск антивещества

2. Антиядра

Поток р 1. Антипротоны   поток р<1(Ь*

Поток а Поток р'

3. Антиметеоры

Поток антиметеоров ~ 20 мт в сутки

4. Антипланеты   В Солнечной системе нет

. Косвенные указания (по данным гамма-астрономии)

Наша Галактика /<10-ю—10-15

Горячий межгалактический газ /<10—7

Скопление галактик /<10_5

Антизвезды в нашей Галактике /<10—4

Внегалактический изотропный фон (ВИФ

Примечания

Не согласуется с обыч­ными теориями образова­нияj) в реакции p-hp-* Р+Р+Р+Р

Ни одного антиядра в космических лучах не за­регистрировано

Строгих доказательств существования антиме­теоров нет

Интерпретация по соот­ношению S~fp*r

Не противоречит возмож­ному существованию <^107 антизвезд

Энергетический спектр ВИФ хорошо описывает­ся на основе аннигиля-ционной гипотезы в пред­положении о том, что аннигиляция происходи­ла, когда возраст Вселен­ной был 107—108 лет

Общий вывод таков.

V нас нет ни одного прямого указания на существо­вание сегодня большого количества антивещества. Одна-

ко у нас нет ни одного факта, который мог бы полностью закрыть эту гипотезу! Прежде всего такое положение со­здается из-за недостаточного числа экспериментальных данных, которые позволили бы сильнее «зажать» фанта­зию сторонников Антимира в рамках твердо установлен­ных величин.

Таким образом, на основной вопрос в этой главе: произошло ли субийство» теории Антимира «безобраз­ными фактами» астрономии и астрофизики? — по всей видимости, можно дать тот же ответ, что дал на кон­силиуме народный лекарь Богомол после осмотра небез-известного Буратнно.

— Одно из двух,— сказал Богомол,— или пациент жив, или он умер. Если он жив — он останется жив, или не останется жив. Если он мертв — его можно оживить или нельзя оживить.