Ультрахолодные нейтроны и тайны симметрии микромира

Персонажами этой статьи будут элементарные частицы. Но не те, что несутся с субсветовыми скоростями в ускорителях или в космосе, а необычайно медлительные. Как говорят ученые, с подобными микрочастицами можно работать, что называется, вручную, наполнять ими сосуд, удерживать некоторое время внутри него, выпускать наружу, словом, проделывать операции, до недавней поры в экспериментальной физике микромира просто неслыханные.

Что это за частицы? И для чего понадобилось физикам использовать сегодня такие причудливые их свойства? Для ответа нам поначалу придется отступить эдак на… 20 миллиардов лет, когда произошел взрыв. Большой взрыв, положивший, как утверждают ученые, начало жизни нашей Вселенной, взрыв, породивший микрочастицы, которые потом образовали всю живую и неживую природу.

Асимметрия вещества после Большого взрыва

Число появившихся частиц и античастиц, казалось бы, должно быть одинаковым. Но куда же тогда делись античастицы? Их нет, наш мир состоит из частиц. А античастицы или рождаются в немногочисленных ядерных процессах, или создаются искусственно. Но в том и другом случае они исчезают при встрече с соответствующими частицами — аннигилируют.

Итак, с этой точки зрения, наш мир явно асимметричен. Откуда же возникла асимметрия? Видимо, после первичного взрыва некоторая доля частиц и античастиц аннигилировала, а современный мир — остатки бывшего с различного рода нарушениями симметрии. Без них все бы быстро превратилось в однородную массу фотонов — квантов излучения, образовавшихся после всеобщей аннигиляции равных количеств вещества и антивещества.

Симметрия и законы сохранения

Однако так ли уж несимметричен наш мир?

С далекой древности нас преследует идея, что в бесконечном и вечно изменяющемся мире должно быть что-то стабильное, постоянное. С течением времени эта идея выкристаллизовалась в несколько положений, известных как законы сохранения — массы, энергии, импульса, заряда и т. д. Законы сохранения тесно связаны с понятием инвариантности физических систем, с симметрией нашего мира. Инвариантность (от латинского «invarians» — «неизменяющийся») означает неизменность физических законов при перемене внешних условий.

Нарушение пространственной четности

По отношению к микромиру речь сначала шла о сохранении так называемой четности. Если изменить все координаты какой-либо системы на противоположные, то есть совершить зеркально симметричное отображение, то все физические законы должны оставаться незыблемыми. Это вполне соответствует ситуации в обычном мире. В зеркале наши правая и левая руки поменяются местами, но любые взаимодействия с окружающим миром будут точно теми же. Такое преобразование именуется пространственной инверсией, а соответствующая квантовая характеристика состояния любой микрочастицы, отображающая симметрию, — пространственной четностью.

Долгое время величина эта и, следовательно, симметрия микромира считались несокрушимыми. На том, как говорится стоял микромир, точнее, его теоретическое осмысление. Но вот в 1956 году физики из США Ли и Янг предсказали, что для слабых взаимодействий (самый распространенный вид — распад ядер с вылетом электронов) пространственная четность (Р) не сохраняется. Через год эксперименты подтвердили — все так и происходит.

Комбинированная СР-симметрия

Тогда теоретики «выкинули спасательный круг». Физик Л. Д. Ландау и уже упомянутые Ли и Янг предложили новый вариант. По их мнению, закон сохранения надо было отнести к так называемой комбинированной инверсии, когда одновременно меняется четность (Р) и заряд (зарядовое сопряжение — С). Таким образом совершается переход от частиц к античастицам при зеркальном отображении системы координат. Тогда все приходит в норму и для «возмутителя спокойствия» в симметрии — слабого взаимодействия. Отдельно С- и Р-операции эту симметрию нарушают, но, сделанные одновременно, восстанавливают гармонию. Так, например, распад частиц при слабом взаимодействии выглядят как зеркальное отображение распада соответствующих античастиц.

Нарушение СР-инвариантности у К-мезонов

Ученый мир на время вздохнул спокойно, симметрия была восстановлена в своих правах. Но вот в ясном небе теории грянул экспериментальный гром. А именно в 1964 году было доказано, что долгоживущий нейтральный К-мезон распадается на две частицы, а это категорически запрещено правилами комбинированной инверсии, распространяющимися и на К-мезоны.

Выходит, и СР-инвариантность соблюдается не всегда. Правда, ни в каких-либо других экспериментах, ни с какими-то другими частицами ничего подобного замечено не было. Но все-таки идея всеобщей симметрии оказалась скомпрометированной, здание симметрии вновь поколеблено. Эксперимент нанес ощутимый удар по теории.

Симметрия времени и Т-несохранение

Гармонию нарушил эксперимент, и восстановить ее, по-видимому, тоже должен эксперимент. А не проявляется ли где-нибудь Т-несохранение, то есть необратимость времени? Такой вопрос задали себе физики.

Симметрия времени — его обратимость. Что это значит? Естественно, разговор не о том, что время действительно можно обратить вспять, ось времени направлена лишь в одну сторону. Обратимость означает, с точки зрения теоретиков, всего лишь одну операцию. Если во всех уравнениях, отражающих жизнь микромира, заменить Т (время) на -T, то все должно остаться без изменений.

Однако если бы удалось обнаружить нарушение этой симметрии и к СР-несохранению добавить Т-несохранение, то относительно трех этих параметров можно было бы получить полную симметрию, хотя бы по аналогии с СР-сохранением. Тогда выходит, что для всех взаимодействий в микромире будет господствовать СРТ-симметрия, комплексное ненарушение. Теоретический анализ показал, что общая инвариантность действительно должна существовать. Значит, надо искать нарушения временной Т-инвариантности. Где?

Электрический дипольный момент и ультрахолодные нейтроны

Путем долгих умозаключений теоретики пришли к выводу, что это должно быть связано с существованием дипольного электрического момента элементарных частиц — своего рода расчлененных на два полюса противоположных по знаку зарядов. Если электрический дипольный момент (ЭДМ) будет отличен от нуля, то все в порядке, тогда можно говорить о Т-несохранении со всеми вытекающими отсюда последствиями. Итак, экспериментаторам был дан заказ — доказать, что хоть в одном случае ЭДМ элементарных частиц отличен от нуля.

Самая удобная для измерения элементарная частица, несомненно, нейтрон. Удобна ввиду отсутствия собственного электрического заряда — легче заметить существование ЭДМ. Но именно из-за этого и трудна для экспериментаторов, поскольку поток нейтронов нелегко организовать и направить в нужное русло.

Эксперимент с ультрахолодными нейтронами

Таким образом, долгая присказка о симметрии, законах сохранения и несохранения привела нас к рассказу об одном из тончайших и глобальных по своей сути экспериментов современной физики, на котором уже «ломали зубы» многочисленные группы ученых.

Существо идеи — обнаружить величину, которая еще не фигурировала в научных отчетах как по своей номенклатуре, так и по абсолютному значению. Экспериментаторы должны зарегистрировать электрическое поле столь малое, что это выходит далеко за пределы современной измерительной аппаратуры.

Прежде чем приступить к непосредственным экспериментам, была проделана многолетняя предварительная работа. Физики получили весьма экзотическое вещество — ультрахолодные нейтроны, о которых и шла речь в начале статьи. Их температура была доведена до 0,001 градуса Кельвина. Труднейшее экспериментальное достижение — ведь скорость этих частиц достигает всего лишь 5 метров в секунду. Нейтроны даже чувствуют силу притяжения Земли, их можно с помощью гравитационного поля замедлять и ускорять. Но главное заключается в том, что, только оперируя ультрахолодными нейтронами, можно зарегистрировать дипольный электрический момент.

Прецессия нейтронов и измерение ЭДМ

Поток нейтронов, отвечающих необходимым условиям, был получен. Этот поток пропускают сквозь постоянное магнитное поле. В этом поле начинается так называемая прецессия — вращение своеобразного магнитного волчка, которым, как и все микрочастицы, является нейтрон, по круговому конусу. Затем добавляют поле электрическое. Если нейтроны действительно обладают ЭДМ, то при взаимодействии с электрическим полем немного сдвинется частота этой прецессии.

Результаты и перспективы

Физики прошли уже целый ряд «отметок», сделанных теоретиками для возможного значения ЭДМ нейтрона. Однако ошибка измерений все еще велика, и нельзя поставить точки над «и». Можно только сказать, что значение ЭДМ нейтрона — если он, разумеется, существует — крайне мало. Известна верхняя граница. А нижняя? Может быть, все-таки ноль? И тогда теоретикам придется придумать нечто новое, чтобы спасти симметрию микромира.