эксперимент ATLAS

На Большом адронном коллайдере (БАК) сталкивают протоны, и среди обломков иногда появляется частица-тяжеловес — лямбда-барион. Это барион, то есть частица, состоящая из трёх кварков, как протон или нейтрон, но содержащая более тяжёлый странный кварк. Лямбда-барион живёт крошечную долю секунды и распадается на другие частицы.

Три бильярдных шара после удара разлетаются по столу — их траектории зависят только от начального толчка. Но в мире атомных ядер всё сложнее: частицы чувствуют друг друга на ходу, даже если не связаны в одно целое. Долгое время физики умели измерять только парные взаимодействия, а что происходит, когда встречаются трое, оставалось за кадром.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной. Её существование выводится из гравитационного влияния на движение звёзд и галактик, но состав этого каркаса остаётся загадкой. Одна из гипотез — сверхлёгкие частицы, напоминающие аксионы. Они почти не взаимодействуют с обычным веществом, однако в редких случаях могут проявлять себя.

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.

3I/ATLAS ворвался в Солнечную систему как незваный гость, подарок судьбы для охотников за внеземным разумом. Этот кометоподобный странник из глубин Галактики пролетел достаточно близко, чтобы его можно было расслышать во всех подробностях — в отличие от далёких экзопланет.

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.

Заряженная частица проносится сквозь кремниевый датчик и оставляет за собой след из свободных электронов. Время, за которое этот заряд соберётся на электроде, зависит от того, насколько глубоко в толще кристалла он родился. Частица, влетающая прямо, прочерчивает одинаковые дорожки в соседних пикселях — и их сигналы приходят почти синхронно.

Физики предложили эксперимент, в котором лазерный луч выступает в роли квантового детектора — устройства, способного регистрировать квантовые эффекты, — и расщепляется на два луча, подобных паре ушей.

Когда вещество разогревают до миллионов градусов, оно превращается в плазму — смесь свободных электронов и ионов, похожую на кипящий суп из заряженных частиц. Заглянуть в такой «суп» обычным термометром нельзя, но можно просветить его рентгеновскими лучами.

Капли масла в кипящем бульоне обычно разбегаются, но если столкнуть их совсем медленно, могут на миг слипнуться. Нечто похожее происходит с топ-кварками — самыми тяжёлыми из известных кирпичиков материи.

Когда две частицы летят почти с одинаковой скоростью в одном направлении, их сигналы в детекторе сливаются, как два голоса в унисон. Отличить дуэт от солиста — отдельное искусство.

Космические лучи — это частицы, которые прилетают к нам из далёкого космоса. Когда такая частица врезается в атмосферу, она рождает целый ливень из новых частиц — как бильярдный шар, который разбивает пирамиду, и шары разлетаются во все стороны. Чтобы предсказать, каким будет такой ливень, нужно знать, как первичная частица взаимодействует с ядрами атомов воздуха.

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.

Лазер бьёт по крошечной стеклянной решётке, и электроны, пролетая сквозь неё, разгоняются. Заглянуть внутрь невозможно, поэтому о происходящем судят по энергии электронов после ускорения — как по брызгам от камня судят о его форме. Учёные построили цифрового двойника: компьютерную модель, которая повторяет поведение настоящего ускорителя.

Две частицы, разлетевшиеся в противоположные стороны, ведут себя как единое целое: измерение одной мгновенно определяет состояние другой. Такая квантовая запутанность давно известна для лёгких частиц, но теперь её впервые увидели у тяжёлых Z-бозонов — переносчиков слабого взаимодействия.

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.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются почти со скоростью света. Иногда они не разбиваются, а обмениваются фотонами — частицами света. Эти фотоны могут породить пару: одну частицу, которую детектор видит, и другую, которая улетает незамеченной.

В детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются с огромной энергией, и среди обломков иногда рождается бозон Хиггса — частица, которая даёт массу другим частицам.

Тау-лептон — тяжёлый родственник электрона, который живёт меньше триллионной доли секунды. Обычно он распадается на более лёгкие частицы, но никогда — сразу на три мюона: такой переход запрещён известными законами физики частиц. Если бы он произошёл, это означало бы, что в природе действуют неизвестные силы.

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 детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере частицы оставляют следы, как лыжники на снегу. Некоторые следы обрываются через пару сантиметров — так выглядела бы частица, которая родилась, пролетела немного и распалась на что-то невидимое. Физики искали именно такие «исчезающие следы» в данных 13-тераэлектронвольтных столкновений протонов.

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 столкновениях тяжёлых ядер рождается огненный шар из тысяч частиц. Среди них — пионы и каоны, два вида лёгких частиц, которые очень похожи друг на друга. Чтобы понять, что происходит в этом огненном шаре, физикам нужно точно знать, сколько каких частиц вылетело.

Один-единственный антипротон, пойманный в ловушку и охлаждённый почти до абсолютного нуля, ведёт себя как камертон, по которому нужно ударить очень точно, чтобы услышать чистый звук. Уловить этот «звук» напрямую почти невозможно — слишком слаб сигнал.

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.

Внутри Большого адронного коллайдера протоны разгоняются почти до скорости света и сталкиваются лоб в лоб. В точке удара на миг рождается сгусток энергии, из которого могут появиться новые частицы. Одна из самых тяжёлых — топ-кварк. Он тяжелее протона в 180 раз и живёт меньше, чем нужно свету, чтобы пересечь атомное ядро.

Межзвёздные странники — это камни и ледяные глыбы, которые вырвались из родных планетных систем и теперь летят сквозь Галактику. Первый такой гость, Оумуамуа, пронёсся мимо Солнца в 2017 году, за ним последовали комета Борисова и объект ATLAS. Откуда они берутся?

В подземном зале Фермилаба стоит огромный бак с жидким аргоном — прозрачной жидкостью при температуре минус 186 градусов. Когда невидимая частица нейтрино влетает в этот бак, она иногда задевает ядро аргона, и вспыхивает короткий след из заряженных частиц. Детектор MicroBooNE ловит такие вспышки уже несколько лет и накопил сотни тысяч записей.

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.

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.

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.

В 1976 году канадский физик Билл Унру задал простой вопрос: что видит наблюдатель, который разгоняется в пустоте? Ответ оказался странным: пустота перестаёт быть пустой. Ускоряющийся наблюдатель купается в тепловом излучении с температурой, пропорциональной ускорению.