§37 - досветовые и сверхсветовые лептоны

§37. ДОСВЕТОВЫЕ И СВЕРХСВЕТОВЫЕ ЛЕПТОНЫ

Как мы уже видели (см. §26), есть факты, свидетельствующие в пользу того, что нейтрино и гравитационное взаимодействие могут распространяться быстрее света. А что будет с обычным веществом, если оно будет двигаться со сверхсветовой скоростью?

Предположим, что электрон каким-либо образом ускорен до сверхсветовой скорости. Как он тогда будет выглядеть с точки зрения внешнего наблюдателя?

Во-первых, для внешнего наблюдателя такой электрон не будет иметь электрического заряда, поскольку он движется со скоростью. большей, чем скорость электромагнитного взаимодействия, поэтому не будет реагировать на действующее на него электрическое или магнитное поле.

Во-вторых, для такого электрона должен будет сохраниться его лептонный заряд, поскольку лептонный заряд связан не с электромагнитным взаимодействием, а со слабым, скорость распространения которого, очевидно, не совпадает с электромагнитным. Если даже при скоростях, очень близких к скорости света, лептонный заряд электрона остается неизменным, то он должен будет сохраняться и при пересечении светового барьера.

В-третьих, такой электрон будет обладать очень высокой проникающей способностью. Так как для внешнего наблюдателя он не будет иметь электрического заряда, то не будет тормозиться в электронных оболочках атомов, а в крайнем случае будет тормозиться лишь при прямом попадании в атомное ядро, а, возможно, сможет проникать и через атомное ядро. Известны эксперименты[1], свидетельствующие о том, что лептоны могут двигаться внутри атомных ядер.

Таким образом, мы видим, что электрон, достигший сверхсветовой скорости, будет иметь нулевой электрический заряд, отличный от нуля лептонный заряд и чрезвычайно высокую проникающую способность. Однако частицы, обладающие такими свойствами, известны и называются нейтрино. Получается, таким образом, что нейтрино - это есть не что иное, как сверхсветовой электрон.

Такая гипотеза объясняет, почему для каждой из частиц класса лептонов существует свое нейтрино: для электрона - электронное нейтрино (соответственно, для его античастицы - позитрона - электронное антинейтрино), для мюона - мюонное нейтрино, для тау-лептона - это тау-нейтрино. Получается, что тот или иной тип нейтрино - это соответствующий лептон, обладающий сверхсветовой скоростью.

Такая гипотеза позволяет также объяснить и явление осцилляции нейтрино (превращение электронных нейтрино в мюонные). Подобно тому, как при переходе через скорость света для внешнего наблюдателя электрический заряд электрона скачкообразно меняется от минус 1 до 0, подобным же образом при переходе некоторого барьера скорости может меняться и лептонный заряд.

С точки зрения данной гипотезы довольно неплохо согласуются и все наблюдаемые процессы с участием нейтрино. Вот, например, процесс бета-распада. Нейтрон распадается на протон и электрон. Для того, чтобы компенсировать лептонный заряд, в реакции возникает также и положительно заряженный позитрон. Но тогда возникает нарушение закона сохранения электрического заряда, и, чтобы такого нарушения не возникло, позитрон приобретает сверхсветовую скорость, после чего "лишний" электрический заряд исчезает. Реакция выглядит так, что нейтрона распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино.

Или другой процесс. Солнечное нейтрино сталкивается с нейтроном в детекторе. В результате столкновения нейтрино теряет скорость (которая становится ниже световой) и превращается в электрон. Для того, чтобы компенсировать возникающее изменение электрического заряда, нейтрон превращается в протон. И реакция выглядит так, что при соединении нейтрино и нейтрона образуются протон и электрон. Этот пример объясняет также, почему в детекторах не наблюдается аналогичной реакции с мюоном, хотя никакие законы сохранения не запрещают того, что мюонное нейтрино, возникшее в результате осцилляции, при реакции его с нейтроном породит протон и мюон, который легко будет зафиксировать. Вероятно, мюонное нейтрино (сверхсветовой мюон) при столкновении с нейтроном не будет терять скорость до досветовой.

Для того, чтобы изложенная гипотеза (о том, что нейтрино - это сверхсветовые лептоны) получила экспериментальное подтверждение, надо найти способ заставить частицы преодолеть световой барьер и экспериментально зафиксировать, как, например, поток электронов будет "исчезать", превращаясь в поток нейтрино. Или, например, зафиксировать возникновение потока электронов из нейтринного потока. Для этого необходимо поставить очень высокочувствительные эксперименты.

Интересно, что в результате открытий в космологии в последние годы выяснилось, что 23% всей материи во Вселенной (что почти в 8 раз больше, чем доля привычного нам вещества, состоящего из атомов) – это так называемая «темная материя», которая проявляет себя исключительно благодаря своему гравитационному излучению. Предполагается, что эта «темная материя» состоит из частиц, которые называются WIMP (это сокращение от фразы «Weak Interacting Massive Particles» - «слабо взаимодействующие массивные частицы»). Их поведение практически идентично поведению нейтрино. Согласно теории, существует множество типов таких частиц, например «нейтралино» (частицы с массой в несколько сотен раз больше массы протона) и «аксионы» (частицы, масса которых может быть в триллионы раз меньше массы электрона, но зато их количество в одном кубическом сантиметре может достигать 100 миллиардов). На ближайшие годы намечены эксперименты по поиску этих частиц – искать их собираются с помощью установок, аналогичных тем, которые сегодня используются для наблюдения нейтрино.

Очевидно, что эта так называемая «темная материя» состоит из частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью: на это указывает и их участие только в гравитационном взаимодействии (которое распространяется быстрее света), и их крайне слабое, но все же отличное от нуля взаимодействие с веществом. Причем если нейтрино – это сверхсветовые лептоны, то WIMP-частицы – это другие частицы (например, протоны и нейтроны), движущиеся со сверхсветовыми скоростями. Тот факт, что их плотность на порядок больше, чем плотность обычного вещества, может затруднить движение со сверхсветовой скоростью, и, вероятно, наличие такой плотной сверхсветовой материи (в 10 раз более плотной, чем вещество звезд) и является причиной "светового барьера". С другой стороны, наоборот, возможно, "темная материя" будет удобной средой для сверхсветовых перемещений.

Может возникнуть вопрос: а как же будут вести себя в сверхсветовом диапазоне не отдельные частицы, а тела, состоящие из множества частиц – начиная от простых болванок и заканчивая живыми организмами. Ведь интересно же знать, смогут ли космонавты остаться в живых при перемещении в сверхсветовой диапазон?

Очевидно, что с точки зрения внешнего наблюдателя структура сверхсветового объекта может выглядеть весьма причудливо (точнее, никак не будет выглядеть – для электромагнитных волн сверхсветовые объекты невидимы), но с точки зрения самих наблюдателей, находящихся на сверхсветовом корабле, структура вещества не будет отличаться от привычной нам. Локация же средствами сверхсветовой связи также не выявит никаких принципиальных изменений.

Более того, есть основания утверждать, что нейтрино – это и есть частицы так называемой «темной материи». По утверждению современной науки, частицы «темной материи» должны иметь массу от 100 до 1000 масс протона. А по астрофизическим данным, скорость частиц «темной материи» составляет, по одним данным 9 км/с, по другим данным, как утверждает источник, «несколько миллиметров в секунду». Однако напомним, что такие выводы сделаны исходя из предположения, что частицы темной материи движутся с досветовыми скоростями. А теперь представим их по ту сторону светового барьера.

При скоростях, намного превышающих световые, импульс движущихся тел стремится к постоянной величине:

p = mv/√(v²/c² - 1) ≈ mv∙c/v = mc

А теперь, исходя из закона сохранения импульса, составим простое соотношение:

m’v’ = mc

где m’ и v’ – масса и скорость частиц темной материи, кажущаяся, если считать, что они движутся с досветовой скоростью, а m – их реальная масса (причем это именно масса покоя). Соответственно, масса покоя частиц темной материи равна:

m = m’v’/c

Величина m’, как мы говорили, составляет от 100 до 1000 масс протона. Масса протона приблизительно равна 1000 МэВ, или 10⁹ эВ.

Если принять версию, что v’=9 км/с, то в этом случае масса покоя частиц темной материи составит от 3 до 30 МэВ. Если же считать, что v’ составляет «несколько миллиметров в секунду», то масса покоя частиц темной материи может составить от 1 до 100 эВ. А теперь вернемся к §26, где приводились оценки массы покоя электронного и тау-нейтрино соответственно 2,5 эВ и 24 МэВ (или, по другой версии, суммарная масса покоя трех типов нейтрино – 40 эВ). То есть вычисленная нами масса покоя сверхсветовых частиц темной материи укладывается в предполагаемую массу покоя нейтрино. Применив закон сохранения энергии, мы получим, что скорость нейтрино, наблюдаемых нами как темная материя, может находиться в интервале от 10⁵ до 10¹⁵ скоростей света. На сверхсветовой характер этих частиц указывает и то обстоятельство, что они взаимодействуют с другими телами Вселенной только через гравитационное притяжение. Подробнее об этих расчетах будет рассказано в следующем параграфе.

В заключение приведем ссылку на эксперимент 2005 года, дающий еще один аргумент в пользу сверхсветового характера нейтрино. Представления о сверхсветовой скорости этой частицы кажутся нам более реалистичными, чем искусственные построения авторов открытия о "многомерности пространства".

[1] Эксперимент этот состоит в следующем. Если в атоме один из электронов заменить на мюон, то он будет вращаться по орбите, как и электрон, с той лишь разницей, что, поскольку масса мюона в 200 раз больше массы электрона, то и радиус его орбиты в атоме будет в 200 раз меньше, чем радиус орбиты электрона. Для первой боровской орбиты получается, что радиус орбиты мюона меньше, чем радиус атомного ядра - получается, что мюон движется внутри чрезвычайно плотной материи атомного ядра и практически никак с ним не взаимодействует.