детектор ALICE

В холодном облаке TMC-1, где температура не поднимается выше десяти градусов выше абсолютного нуля, молекулы почти не встречаются друг с другом. Но время от времени сквозь них пролетает атом гелия, и этого короткого касания достаточно, чтобы молекула изменила своё вращение. Именно такие столкновения определяют, какое излучение мы увидим с Земли.

В шахте, ведущей к Большому адронному коллайдеру, планируют разместить необычную установку — стометровую вертикальную трубу, внутри которой будут падать облака атомов стронция. Каждое облако охлаждают до почти абсолютного нуля, чтобы атомы двигались медленно и согласованно, как танцоры в замедленной съёмке.

На юге Индии, в городе Мадурай, с 2018 по 2022 год стоял необычный «ловец» космических частиц — прототип mini-ICAL массой 85 тонн. Это уменьшенная в 600 раз версия будущего детектора нейтрино (неуловимых частиц-призраков), который построят глубоко под землёй.

В глубине детектора ATLAS, словно в гигантском термосе, плещется жидкий аргон — прозрачная жидкость при температуре минус 184 градуса Цельсия. Когда через неё пролетает частица, рождается слабый электрический сигнал, похожий на тихий всплеск.

В абсолютной тишине нужно услышать, как падает пушинка. Но кто-то постоянно шуршит пакетом. Для космической обсерватории LISA таким «шуршанием» станут заряженные частицы из космоса. LISA — это три спутника, которые лазерными лучами измеряют расстояние между свободно парящими внутри них золото-платиновыми кубиками.

В духовке выпекается огромный хлеб. Внутри теста есть крошечный, самый горячий участок — именно там начинается рост будущей буханки. Примерно так же устроено горячее молекулярное ядро (область размером с Солнечную систему, где газ разогрет до сотен градусов и сжат в миллиарды раз плотнее обычных облаков). В нём прячется зародыш массивной звезды, и астрономы пытаются заглянуть в эту «духовку», не открывая дверцы.

История началась почти век назад, когда Эдвин Хаббл показал, что галактики разбегаются, а Фриц Цвикки и Вера Рубин позже поняли: для объяснения их движений необходима невидимая масса — тёмная материя.

Ядра атомов далеко не всегда напоминают бильярдные шары — эту аналогию мы используем лишь для простоты. В реальности одни ядра вытянуты подобно сигарам, другие сплюснуты, как диски. А у ксенона-129 форма оказалась похожей на картофелину — это бугристый трёхосный эллипсоид, то есть фигура, у которой все три оси имеют разную длину.

Лёд, вода, пар — фазовые переходы, знакомые каждому. Но что происходит, если сжать и разогреть само ядро атома? Теоретики полагают, что протоны и нейтроны в нём «плавятся», высвобождая кирпичики помельче — кварки и глюоны. Получается горячая каша, которую называют кварк-глюонной плазмой.

В глубине детектора Большого адронного коллайдера сталкиваются протоны, и на короткий миг рождается нечто тяжёлое. Оно мгновенно рассыпается на два бозона Хиггса — частицы, которые, как матрёшки, скрывают в себе ещё по две пары b-кварков.

Вселенная полна невидимого вещества, которое управляет движением галактик. В 1970-х астроном Вера Рубин показала: без тёмной материи звёзды на окраинах давно разлетелись бы. Но из чего она состоит, неизвестно.

Кольцевая дорога вокруг Солнца, по которой разгоняются не автомобили, а сгустки материи. Диаметр этой дороги — световые годы: она опоясывает нашу планетную систему по внешней границе, в облаке Оорта, где ещё чувствуется слабое притяжение звезды.

Квантовый компьютер держит атомы в ловушках из света, как шарики в лунках. Чтобы прочитать ответ, нужно сфотографировать каждый атом и понять, светится он или нет. Раньше разбор такого снимка занимал столько времени, что компьютер простаивал. Теперь инженеры сделали специальную плату, которая смотрит на фотографию и мгновенно находит все атомы.

В недрах массивной звезды перед взрывом слои лежат друг на друге, как пласты в луковице. Иногда два соседних слоя — углеродный и кислородный — перемешиваются. Это похоже на то, как в кастрюле с супом сливаются слои бульона и овощей, если их помешать ложкой. Такое перемешивание меняет, какие химические элементы звезда выбросит в космос при взрыве.

На кухне два луча фонариков проходят сквозь друг друга, не замечая один другого. Свет со светом почти не взаимодействует. Но если разогнать частицы до огромных энергий, два фотона могут столкнуться и родить нечто новое.

В подземном кольце длиной 27 километров протоны разгоняют почти до скорости света и сталкивают лоб в лоб. В точке удара на мгновение возникают условия, какие были в первую триллионную долю секунды после рождения Вселенной. Детектор CMS — многоэтажная машина из кремния, свинца и сверхпроводящих магнитов — ловит обломки этих столкновений.

В глубоком холоде, при температуре всего два градуса выше абсолютного нуля, медная полость размером с кастрюлю слушает тишину Вселенной. Эта полость — сердце прототипа детектора Supax, созданного для поиска аксионов: частиц, которые никто никогда не видел, но которые могут составлять невидимую тёмную материю, удерживающую галактики вместе.

В тёмной камере, где температура лишь на четыре градуса выше абсолютного нуля, лежит кристалл сапфира размером с рисовое зерно. Когда сквозь него пролетает нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещество, — кристалл вздрагивает и нагревается на ничтожную долю градуса. Этот тепловой отклик ловят сверхчувствительные датчики на краях кристалла.

В огромном поле COSMOS, где телескопы разглядывают тысячи далёких галактик, нашлась особая группа: четыре сгущения молодых галактик, расположенных на участке неба размером с несколько полных лун. Главное сгущение такое плотное, что галактик там вчетверо больше, чем в среднем по небу.

В плазме, где часть атомов остаётся нейтральной, магнитные силовые линии могут перестраиваться с разной скоростью. Это похоже на две резиновые ленты, которые сначала сцеплены, а потом вдруг расцепляются и сжимаются, высвобождая энергию. В новой работе физики впервые просканировали сразу два параметра: долю ионизованных частиц и частоту столкновений между ионами и нейтралами.

В глубине Большого адронного коллайдера ядра свинца сталкиваются с такой силой, что на миг рождается материя горячее Солнца. Это кварк-глюонная плазма — суп из самых мелких кирпичиков вещества, который существовал лишь в первые микросекунды после Большого взрыва.

В детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду. Среди этого потока физики выловили восемь событий, в которых после удара возникли сразу две Z-частицы и один фотон.

Обычные атомные часы тикают, когда электрон перескакивает между уровнями энергии. Но внешние поля и толчки могут сбить этот ритм. Высокозаряженные ионы — атомы, у которых оторвали много электронов, — почти не замечают таких помех: их электроны сидят глубоко и крепко. Поэтому из них получаются сверхстабильные «маятники». Ион Cf17+ — это атом кюрия, у которого забрали 17 электронов.

Охота на редчайший распад похожа на поиск одной фальшивой монеты в груде настоящих. Нужно не только найти, но и доказать, что это не блик на металле. В эксперименте LEGEND ищут безнейтринный двойной бета-распад германия-76 — событие, которое происходит, если нейтрино является античастицей самой себе.

Лазер бьёт по мишени — и в камеру вылетает облако плазмы, разогнанное до сотен километров в секунду. Вокруг не пустота: камера заполнена разреженным газом, который играет роль космической среды. Плазма врезается в этот газ, как скоростной катер в стоячую воду, и начинает расталкивать его перед собой.

Рост кристалла сверхчистого германия напоминает выпечку капризного суфле: малейший перегрев или лишняя крупинка примеси — и весь слиток годится лишь в переплавку. Такие кристаллы — сердце детекторов, которые ловят редчайшие события: от тёмной материи до двойного бета-распада. Но лишь несколько компаний в мире умеют растить их с высоким выходом, и секреты мастерства передаются десятилетиями.

Две галактики сближаются, как пара танцоров, которые то расходятся, то снова притягиваются друг к другу. В момент особенно тесного сближения их газ сжимается, и из недр вырывается яркий ультрафиолетовый свет. Именно это происходит в системе Хара 11 — ближайшей к нам паре сливающихся галактик, которая пропускает наружу такой свет.

В гигантских ускорителях частицы летят почти со скоростью света и сталкиваются лоб в лоб. Но иногда один пучок оказывается чуть плотнее другого — как будто на переполненном эскалаторе кто-то встал не в ту сторону. Тогда столкновения идут неравномерно, и приборы начинают «мигать», сбивая измерения. Чтобы этого не случалось, нужно очень точно управлять плотностью пучков.

В детекторе коллайдера каждое столкновение протонов оставляет след из десятков частиц — как брызги от брошенного в воду камня. Разобраться в этих брызгах и понять, что именно произошло в момент удара, — задача, с которой человек уже не справляется в одиночку.

Камешек падает в пруд, и по воде расходятся круги. Но иногда камешек не сразу уходит на дно: он скользит под поверхностью, проплывает несколько метров и лишь потом всплывает, порождая круги в неожиданном месте. Так физики ищут долгоживущие частицы: они рождаются в столкновении протонов, летят сквозь детектор незамеченными, а затем распадаются на обычные частицы вдали от точки рождения.

Внутри протонов, разогнанных почти до скорости света, иногда рождается частица тяжелее атома золота — верхний кварк. Она живёт ничтожные доли секунды и распадается, оставляя след в детекторе ATLAS. Физики четыре года собирали такие следы, чтобы понять, как часто появляется верхний кварк и его зеркальный двойник — антикварк.

Вода в чайнике нагревается до ста градусов — и перестаёт быть водой, превращаясь в пар. Нечто похожее происходит с ядрами атомов, когда их сталкивают на огромных скоростях в Большом адронном коллайдере.

В тёмной комнате стоит бак с жидким аргоном. Иногда сквозь него пролетает невидимая частица, задевает ядро атома — и в жидкости вспыхивает слабый свет. По этой вспышке физики пытаются понять, что за гостья к ним пожаловала.

В лаборатории DESY запущен эксперимент ALPS II, нацеленный на обнаружение аксионов — гипотетических частиц-призраков, почти не взаимодействующих с веществом, из которых может состоять тёмная материя. Эта невидимая масса выполняет роль гравитационного каркаса, удерживающего галактики от разлёта под действием центробежных сил при вращении.