Надхолодні нейтрони і таємниці симетрії мікросвіту

Персонажами цієї статті будуть елементарні частинки. Але не ті, що мчать із субсвітловими швидкостями в прискорювачах або в космосі, а надзвичайно повільні. Як кажуть вчені, з подібними мікрочастинками можна працювати, що називається, вручну: наповнювати ними посудину, утримувати певний час всередині неї, випускати назовні, словом, здійснювати операції, донедавна в експериментальній фізиці мікросвіту просто нечувані.

Що це за частинки? І для чого знадобилося фізикам використовувати сьогодні такі химерні їхні властивості? Для відповіді нам спершу доведеться відступити десь на… 20 мільярдів років, коли стався вибух. Великий вибух, який, як стверджують вчені, поклав початок життю нашого Всесвіту, вибух, який породив мікрочастинки, що потім утворили всю живу і неживу природу.

Асиметрія речовини після Великого вибуху

Кількість частинок і античастинок, що з’явилися, здавалося б, мала бути однаковою. Але куди ж тоді поділися античастинки? Їх немає, наш світ складається з частинок. А античастинки або народжуються в нечисленних ядерних процесах, або створюються штучно. Але в тому й іншому випадку вони зникають при зустрічі з відповідними частинками — аннігілюють.

Отже, з цієї точки зору, наш світ явно асиметричний. Звідки ж виникла асиметрія? Мабуть, після первинного вибуху певна частка частинок і античастинок аннігілювала, а сучасний світ — це залишки колишнього з різного роду порушеннями симетрії. Без них усе б швидко перетворилося на однорідну масу фотонів — квантів випромінювання, що утворилися після загальної аннігіляції рівних кількостей матерії та антиматерії.

Симетрія і закони збереження

Однак чи такий уже несиметричний наш світ?

З далекої давнини нас переслідує ідея, що в нескінченному і вічно мінливому світі має бути щось стабільне, постійне. З плином часу ця ідея викристалізувалася в кілька положень, відомих як закони збереження — маси, енергії, імпульсу, заряду тощо. Закони збереження тісно пов’язані з поняттям інваріантності фізичних систем, із симетрією нашого світу. Інваріантність (від латинського «invarians» — «незмінний») означає незмінність фізичних законів при зміні зовнішніх умов.

Порушення просторової парності

По відношенню до мікросвіту спершу йшлося про збереження так званої парності. Якщо змінити всі координати будь-якої системи на протилежні, тобто здійснити дзеркально-симетричне відображення, то всі фізичні закони повинні залишатися непорушними. Це цілком відповідає ситуації у звичайному світі. У дзеркалі наші права та ліва руки поміняються місцями, але будь-які взаємодії з навколишнім світом будуть точно такими ж. Таке перетворення називається просторовою інверсією, а відповідна квантова характеристика стану будь-якої мікрочастинки, що відображає симетрію, — просторовою парністю (P).

Довгий час ця величина і, отже, симетрія мікросвіту вважалися непохитними. На тому, як то кажуть, стояв мікросвіт, точніше, його теоретичне осмислення. Але от у 1956 році фізики зі США Лі та Янг передбачили, що для слабких взаємодій (найпоширеніший вид — розпад ядер з вильотом електронів) просторова парність (Р) не зберігається. Через рік експерименти підтвердили — усе так і відбувається.

Комбінована СР-симетрія

Тоді теоретики «викинули рятувальний круг». Фізик Л. Д. Ландау та вже згадані Лі та Янг запропонували новий варіант. На їхню думку, закон збереження треба було віднести до так званої комбінованої інверсії, коли одночасно змінюється парність (Р) і заряд (зарядове спряження — С). Таким чином здійснюється перехід від частинок до античастинок при дзеркальному відображенні системи координат. Тоді все приходить у норму і для «збудника спокою» в симетрії — слабкої взаємодії. Окремо С- і Р-операції цю симетрію порушують, але, зроблені одночасно, відновлюють гармонію. Так, наприклад, розпад частинок при слабкій взаємодії виглядає як дзеркальне відображення розпаду відповідних античастинок.

Порушення СР-інваріантності у К-мезонів

Вчений світ на якийсь час зітхнув спокійно, симетрія була відновлена у своїх правах. Але от у ясному небі теорії пролунав експериментальний грім. А саме: у 1964 році було доведено, що довгоживучий нейтральний К-мезон розпадається на дві частинки, а це категорично заборонено правилами комбінованої інверсії, що поширюються і на К-мезони.

Виходить, і СР-інваріантність дотримується не завжди. Щоправда, ні в будь-яких інших експериментах, ні з якимись іншими частинками нічого подібного помічено не було. Але все-таки ідея загальної симетрії виявилася скомпрометованою, будівля симетрії знову похитнулася. Експеримент завдав відчутного удару по теорії.

Симетрія часу і Т-незбереження

Гармонію порушив експеримент, і відновити її, мабуть, теж має експеримент. А чи не проявляється де-небудь Т-незбереження, тобто необоротність часу? Таке питання поставили собі фізики.

Симетрія часу — його оборотність. Що це означає? Звісно, розмова не про те, що час справді можна повернути назад, вісь часу спрямована лише в один бік. Оборотність означає, з точки зору теоретиків, лише одну операцію. Якщо в усіх рівняннях, що відображають життя мікросвіту, замінити T (час) на -T, то все має залишитися без змін.

Однак якби вдалося виявити порушення цієї симетрії і до СР-незбереження додати Т-незбереження, то щодо трьох цих параметрів можна було б отримати повну симетрію, хоча б за аналогією з СР-збереженням. Тоді виходить, що для всіх взаємодій у мікросвіті пануватиме СРТ-симетрія, комплексне непорушення. Теоретичний аналіз показав, що загальна інваріантність справді має існувати. Значить, треба шукати порушення часової Т-інваріантності. Де?

Електричний дипольний момент та надхолодні нейтрони

Шляхом довгих умовиводів теоретики дійшли висновку, що це має бути пов’язано з існуванням дипольного електричного моменту (ЕДМ) елементарних частинок — свого роду розчленованих на два полюси протилежних за знаком зарядів. Якщо електричний дипольний момент (ЕДМ) буде відмінний від нуля, то все гаразд, тоді можна говорити про Т-незбереження з усіма наслідками, що звідси випливають. Отже, експериментаторам було дано замовлення — довести, що хоча б в одному випадку ЕДМ елементарних частинок відмінний від нуля.

Найзручніша для вимірювання елементарна частинка, безсумнівно, нейтрон. Зручна через відсутність власного електричного заряду — легше помітити існування ЕДМ. Але саме через це й важка для експериментаторів, оскільки потік нейтронів нелегко організувати та направити в потрібне русло.

Експеримент з надхолодними нейтронами

Таким чином, довга приказка про симетрію, закони збереження та незбереження привела нас до розповіді про один із найтонших і глобальних за своєю суттю експериментів сучасної фізики, на якому вже «ламали зуби» численні групи вчених.

Суть ідеї — виявити величину, яка ще не фігурувала в наукових звітах як за своєю номенклатурою, так і за абсолютним значенням. Експериментатори мають зареєструвати електричне поле настільки мале, що це виходить далеко за межі сучасної вимірювальної апаратури.

Перш ніж розпочати безпосередні експерименти, було виконано багаторічну попередню роботу. Фізики отримали вельми екзотичну речовину — надхолодні нейтрони (НХН), про які йшлося на початку статті. Їхню температуру довели до 0.001 градуса Кельвіна. Важке експериментальне досягнення — адже швидкість цих частинок сягає всього лише 5 метрів на секунду. Нейтрони навіть відчувають силу тяжіння Землі, їх можна за допомогою гравітаційного поля сповільнювати та прискорювати. Але головне полягає в тому, що, лише оперуючи надхолодними нейтронами, можна зареєструвати дипольний електричний момент.

Прецесія нейтронів та вимірювання ЕДМ

Потік нейтронів, що відповідають необхідним умовам, було отримано. Цей потік пропускають крізь постійне магнітне поле. У цьому полі починається так звана прецесія — обертання своєрідної магнітної дзиґи, якою, як і всі мікрочастинки, є нейтрон, по круговому конусу. Потім додають поле електричне. Якщо нейтрони справді мають ЕДМ, то при взаємодії з електричним полем трохи зсунеться частота цієї прецесії.

Результати та перспективи

Фізики пройшли вже цілу низку «відміток», зроблених теоретиками для можливого значення ЕДМ нейтрона. Однак похибка вимірювань все ще велика, і не можна поставити крапки над «і». Можна лише сказати, що значення ЕДМ нейтрона — якщо він, зрозуміло, існує — вкрай мале. Відома верхня межа. А нижня? Може, все-таки нуль? І тоді теоретикам доведеться придумати щось нове, щоб врятувати симетрію мікросвіту.