Самые высокоэнергетические нейтрино всех времен
В предыдущей главе я упоминал, что много лет проработал над проектом под названием DUMAND, в ходе которого планировалось разместить на дне океана в районе Большого острова Гавайи огромный нейтринный детектор с целью поиска сверхвысокоэнергетических нейтрино из внеземных источников. В других местах, таких как озеро Байкал в Сибири и Средиземное море, также проводились подобные эксперименты
. Проект DUMAND в конечном итоге остановили, поскольку сочли работу глубоко на дне океана слишком сложной и дорогой. Другая команда ученых, чья штаб-квартира располагалась в Висконсинском университете, нашла более гостеприимную среду, нежели океан у побережья Гавайев, — Южный полюс.
Используемый ими метод опять-таки включал обнаружение излучения Вавилова — Черенкова у заряженных частиц, испускаемого во время столкновения сверхвысокоэнергетических нейтрино с ядрами атомов в прозрачной среде — в данном случае такой средой послужил антарктический лед. В 1990-хгодахвходе проекта AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array, «Антарктическая мюонная и нейтринная детекторная решетка») струны фотоэлектронных умножителей погрузили глубоко в лед возле антарктической станции «Амундсен-Скотт». В 2005 году ее расширили до кубического километра на глубине между 1450-ми 2450-м метрами и переименовали в IceCube («Ледяной куб»). Установка завершилась в декабре 2010 года. IceCube, безусловно, представляет собой самый высокочувствительный эксперимент из существующих.
Двадцать первого ноября 2013 года группа IceCube заявила об обнаружении 28 нейтрино энергией более 30 ТэВ, причем в двух случаях их энергия превышала 1 ПэВ (1015 эВ)
. Если полученные в будущем данные позволят точно установить их источники, благодаря проекту IceCube наконец откроется новое нейтринное окно во Вселенную. Когда эта книга уже была отправлена в издательство, появилось сообщение о третьем нейтрино энергией свыше 1 ПэВ.
Астрофизик Флойд Стекер из Центра космических полетов Годдарда, с которым мы в прошлом вместе работали, доказал, что нейтрино энергией порядка пикаэлектрон-вольт согласуются с прогнозом, который он и три его соавтора сделали в 1991 году: ультравысокоэнергетические нейтрино могут образовываться в недрах активных галактик
.
Предостережение
Как и в предыдущем разделе, некоторые новые результаты, которые я описываю в этой главе (а также в главе 11), были добавлены в книгу уже после того, как ее отправили в издательство. Некоторые источники до сих пор существуют только в форме препринтов. Очевидно, что физика частиц и космология развиваются очень быстро, поэтому приведенную информацию не следует считать окончательной. Я могу представить только моментальный снимок, отражающий ситуацию на момент издания этой книги.
Глава 15.
ВЕЧНАЯ МУЛЬТИВСЕЛЕННАЯ
От Большого взрыва до наших дней
Давайте отметим на временной шкале все, что на момент написания этой книги известно об истории нашей Вселенной, от Большого взрыва до настоящего времени. Под нашей Вселенной я понимаю то, что мы сегодня можем увидеть в телескоп, и то, что мы можем заключить из этих наблюдений о прошлом этой Вселенной. Мы рассмотрим будущее в следующем разделе и возможность существования других вселенных — в следующей главе.
Поскольку наши нынешние знания из области физики, основанные на экспериментах с ускорителями, доходят «всего лишь» до момента 10-12 с после Большого взрыва, мы можем в лучшем случае гадать о более ранних временах. Впрочем, наши предположения вовсе не будут пустыми домыслами, если мы выстроим их на надежном фундаменте существующих знаний.
Читатель должен помнить, что я не претендую на описание того, что действительно существует в некой абсолютной метафизической реальности. Как я уже подчеркивал, моя философская позиция такова, что мы не можем достичь точного знания об этой реальности. Все, что мы можем, — это делать как можно больше наблюдений и описывать их с помощью математических моделей. Они основываются на близких человеку понятиях, определенных операционально, таких как время, пространство и температура. Далее приводится именно такое описание, где температуры приведены в электрон-вольтах. Не забывайте, что это упрощенная модель и наверняка не окончательная ее версия.
10-43 с, 1028 эВ. Планковское время. В планковское время наша Вселенная была пустой сферой планковских размеров — 10-35 м. Любая модель, которая стремится описать пустую вселенную в понятных человеку терминах пространства и времени, максимально симметрична. Она заведомо будет содержать неявные принципы сохранения, которые люди называют законами, а я обозначил как метазаконы. Не было никакого законодателя, ни естественного, ни сверхъестественного. Эти модели автоматически следуют правилам квантовой механики и относительности, которые сами вытекают из симметрии. В частности, к ним относятся принцип неопределенности и уравнения Фридмана, с помощью которых мы моделируем то, что случилось дальше.
В отсутствие частиц квантовые флуктуации плотности энергии вакуума, или, если вам угодно, кривизна пространства-времени, заставили сферу расширяться и сжиматься. В неизвестный момент времени, который обычно принимают за примерно 10м с, положительная флуктуация оказалась достаточно большой для того, чтобы вызвать инфляцию. Трение в расширяющейся Вселенной, предсказанное моделью, значительно замедлило возвращение к равновесному состоянию, и наша Вселенная экспоненциально расширилась на много порядков.
~10-34 с, 1024 эВ. Конец инфляции (точное время неизвестно). Подобно затуханию колебаний гармонического осциллятора, то же трение остановило инфляцию, и вслед за ней началось почти линейное хаббловское расширение. Первые частицы были образованы из потерянной энергии. Все они были безмассовыми.
В условиях максимальной симметрии силы, посредством которых частицы взаимодействовали, были унифицированы как единая сила. Максимальная симметрия включает в себя суперсимметрию, при которой каждая частица и ее суперпартнер идентичны и имеют нулевую массу.
По мере того как расширяющаяся Вселенная охлаждалась, произошла серия спонтанных (случайных, нерукотворных, непреднамеренных) фазовых переходов, которые нарушили симметрию и дифференцировали разные типы частиц и сил друг от друга. Это был первый этап развития асимметричной структуры во Вселенной. Частицы отделились от античастиц и получили легкое преимущество. Или, точнее говоря, те из них, которые получили преимущество, мы называем частицами, а прочие — «античастицами». Бозоны обособились от фермионов, поскольку суперсимметрия нарушилась. Лептоны дифференцировались от барионов (кварков). Гравитация отделилась от сил, описываемых моделью теории великого объединения (ТВО). Частицы оставались безмассовыми.
