BESIII

В глубине горы, где мюоны космических лучей глушатся толщей породы, стоит детектор, который ловит не свет, а его отсутствие. Позитроний — крошечный атом, в котором электрон и его античастица позитрон кружат друг вокруг друга, как пара танцоров. Обычно они сходятся и исчезают во вспышке из двух или трёх гамма-квантов.

Кремний-25 живёт всего 219 миллисекунд. За это время он успевает испустить бета-частицу, а затем, бывает, и протон. Именно эти протоны, вылетающие из ядра после бета-распада, стали калибровочным эталоном для нового микроскопа, который физики собрали на ускорителе FRIB.

Три дня подряд лазер бил в струю газа, и каждую секунду рождался пучок электронов с энергией, как у маленькой молнии. Раньше такие пучки получали только в огромных залах, где ускоритель занимает целое здание. Теперь вся установка уместилась в комнате и проработала без сбоев 72 часа.

Археолог аккуратно снимает слой за слоем, и каждый новый пласт на раскопе чармониев — это редкий распад, зафиксированный детектором. Чармоний — связанное состояние очарованного кварка и его антикварка — живёт ничтожные доли секунды, но успевает рассказать о силах, которые удерживают кварки вместе.

Когда частица ψ(2S) распадается на протон и антипротон, одновременно действуют два фундаментальных механизма: сильное взаимодействие, которое, как клей, удерживает кварки внутри адронов, и электромагнитное, которое, подобно свету, описывает взаимодействие заряженных частиц.

Атом гелия — как туго натянутая струна: каждая нота, которую он издаёт, строго предсказана квантовой теорией. Но в последние годы точные измерения одной из таких «нот» — энергии ионизации возбуждённого атома гелия, то есть энергии, необходимой, чтобы вырвать электрон из возбуждённого состояния, — стали звучать чуть выше, чем положено.

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.

Долгое время астрономы искали «фабрики» самых энергичных космических лучей — частиц, несущих в себе макромир, сжатый до размеров атомного ядра. Под подозрением были колоссальные области звездообразования вроде Лебедя OB2, где сталкиваются ветры молодых гигантов. Но природа, как фокусник, спрятала сердце ускорителя в ином месте — внутри тесной двойной системы.

Тау-лептон — короткоживущая частица, тяжёлый родственник электрона. Когда он распадается, внутри него кварки обмениваются глюонами, словно игроки в закрытой комнате перебрасываются мячом. Самих бросков не видно, заметен только конечный счёт — два пиона, разлетающихся под определёнными углами.

Кастрюля с водой закипает всегда одинаково: сто градусов — и пошли пузыри. С квантовыми жидкостями всё иначе. Когда облако атомов охлаждают почти до абсолютного нуля, оно может превратиться в единую волну материи — конденсат Бозе — Эйнштейна. Но сам переход, как выяснилось, бывает трёх разных типов.

Шумный вокзал в час пик. Тысячи людей спешат, голоса сливаются в гул. И где-то в этой толпе два человека пытаются пожать друг другу руки особым, едва заметным жестом. Заметить такое рукопожатие почти невозможно.

Фейерверк вспыхивает, и одна точка рассыпается сразу четырьмя искрами. Похоже ведёт себя Z-бозон — частица, переносящая слабое взаимодействие, — когда распадается на четыре заряженных лептона (электроны или мюоны). Процесс крайне редкий: на миллион рождений Z-бозона приходится лишь около пяти таких событий.

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.

Монета падает ребром — примерно так же редко тяжёлый B-мезон распадается на лёгкий пион и пару электрон-позитрон. За десятилетие работы коллайдера таких событий набралась лишь горстка, но физики наконец смогли их разглядеть. Вероятность распада составила около 2,4×10⁻⁸.

Капля воды в сильном электрическом поле вытягивается. Так же ведёт себя и ядро дейтерия — связанная пара из протона и нейтрона, только поле здесь создаёт пролетающий гамма-квант, а вместо вытягивания ядро может просто развалиться на части. В Шанхайской лаборатории SLEGS этот процесс впервые изучили на густой сетке энергий — от 2,33 до 19,65 МэВ — и записали, как часто ядро не выдерживает.

В детекторе LHCb, где сталкиваются протоны, среди миллиардов распадов нашёлся один необычный след. Частица, которую назвали $$D_{s1}$$(2933)^+, появляется на миг и тут же рассыпается на другие частицы. Её жизнь настолько коротка, что напрямую увидеть её нельзя — только по продуктам распада можно восстановить, что она была.

В детекторе CMS на Большом адронном коллайдере столкнулись протоны, разогнанные почти до скорости света. Среди миллиардов таких столкновений физики искали редкий след: рождение одной тяжёлой частицы, которая тут же разваливается на W-бозон и b-кварк.

Кварки — крошечные кирпичики, из которых собраны протоны и нейтроны. Обычно они держатся парами: частица и её зеркальный двойник-античастица. Но иногда кварки образуют более причудливые комбинации, которые физики называют экзотическими. Одну из таких комбинаций — частицу π1(1600) — впервые увидели в распаде очарованного мезона χc1 на детекторе BESIII в Пекине.

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.

В 2016–2018 годах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе протоны сталкивались с энергией 13 тераэлектронвольт — как если бы две горошины разгоняли до скоростей, при которых их удар рождает целый рой новых частиц.

Каждую секунду в наших телах происходят миллиарды распадов, но никто этого не замечает. А вот физики замечают: они сталкивают частицы в ускорителях и смотрят, на какие осколки те разлетаются. В таких осколках прячется ответ на вопрос, почему мы вообще существуем. Ведь сразу после рождения Вселенной частиц и античастиц было поровну, но сегодня вокруг нас только частицы.

Весы с одинаковыми гирьками, но одна чаша всегда перевешивает. В мире элементарных частиц такой перевес называют нарушением CP-симметрии: частицы и их зеркальные двойники (античастицы) ведут себя чуть-чуть по-разному. Именно этот перекос, как считают физики, позволил материи выжить после Большого взрыва, когда материя и антиматерия должны были аннигилировать друг друга.

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.

В ускорителе под Пекином сталкивают электроны с позитронами — и на миг рождаются частицы, которых в обычном веществе не встретить. Одна из них — лямбда-си-плюс: внутри неё сидит тяжёлый очарованный кварк, как камень в рогатке. Теперь физики впервые увидели, как эта частица разваливается на нейтрон, положительный пион и эта-мезон.

В протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере физики впервые поймали частицу с двумя очарованными кварками. Она называется Ξcc+ (произносится «кси-си-си плюс») и похожа на бусину, в которой вместо одного тяжёлого ядра — сразу два. Такие частицы крайне редки: из миллиардов столкновений лишь единицы рождают подобную экзотику.

Частица J/psi живёт мгновение, а затем распадается на более лёгкие частицы, как разорвавшаяся струна рассыпается на кусочки. Физики из коллаборации BESIII поймали более десяти миллиардов таких распадов, чтобы разобраться, какие именно «кусочки» получаются. Оказалось, что чаще всего J/psi сначала превращается в нейтральный пион и мезон b1, либо в пион и мезон rho(1450), либо в эта-мезон и мезон h1.

Когда W-бозон (частица-переносчик слабого взаимодействия) распадается на кварк и антикварк, на огромной скорости коллайдера эти два осколка летят почти в одном направлении. Детектор видит не две отдельные частицы, а одну широкую струю — как если бы два бегуна на финише слились в одно пятно на фотоснимке.

Внутри протона и нейтрона кипит жизнь: кварки обмениваются глюонами, и на мгновение возникают пары частиц, которые тут же исчезают. Некоторые из них, так называемые скалярные мезоны, живут всего 10⁻²³ секунды — меньше, чем нужно свету, чтобы пересечь атомное ядро.

В 2010 году физики на Большом адронном коллайдере впервые получили кварк-глюонную плазму — состояние вещества, в котором кварки и глюоны свободны, как вода в паре, а не заперты внутри протонов и нейтронов. Теперь коллаборация ALICE изучила, как в такой среде движутся очарованные частицы — те, что содержат тяжёлый c-кварк.

Крошечная частица-призрак пролетает сквозь кусок германия. Обычно она не оставляет следов, но иногда, как бильярдный шар, ударяет по ядру атома. Ядро отскакивает, и этот толчок можно заметить. В Ок-Ридже, в национальной лаборатории, детектор Ge-Mini ловил такие отскоки два года. Нейтрино — самые неуловимые из известных частиц.

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.

Крошечная стеклянная сфера парит в луче лазера, как пылинка в солнечном свете. Внутри неё — радиоактивный свинец, который время от времени распадается. Каждый распад выбрасывает заряженные частицы, и сфера теряет или приобретает крошечный электрический заряд.

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 2017 году на Большом адронном коллайдере протоны сталкивались с энергией 5,02 ТэВ. Детектор CMS записывал эти столкновения, и среди миллиардов событий физики выискивали редкий случай: рождение одного-единственного топ-кварка без его античастицы.

Облака светящегося водорода в чужих галактиках похожи на губку: сам газ занимает лишь малую часть объёма, а остальное — почти пустота. Долгое время астрономы могли лишь догадываться, насколько «дырявы» эти туманности. Теперь группа учёных предложила способ это измерить.

Титан, крупнейший спутник Сатурна, окутан плотной оранжевой дымкой. Она состоит из углеводородов и других органических молекул, которые рождаются, когда солнечный свет расщепляет метан и азот в верхних слоях атмосферы. Химики называют такой процесс фотохимией — свет работает как невидимый повар, собирающий из простых ингредиентов всё более сложные блюда.

Когда быстрый протон врезается в ядро атома, на мгновение рождаются новые частицы. Одна из них — фи-мезон: короткоживущий сгусток материи, который распадается на пару электрон-позитрон. Поймать этот распад — всё равно что услышать эхо далёкого взрыва: сам взрыв уже закончился, но его след ещё летит.

В кольцевом ускорителе электроны разгоняются почти до скорости света и врезаются в позитроны — свои античастицы. В точке встречи на миг возникает сгусток чистой энергии, из которого рождаются новые частицы. Детектор BESIII, как высокоскоростная камера, ловит следы этих короткоживущих гостей. Среди них — пара сигма-минус и анти-сигма-плюс.

Столкновение электрона и позитрона на коллайдере BESIII порождает короткоживущую частицу — очарованный барион Λc+. Внутри него, как в переполненном ящике, быстро рождается другая частица — Λ-гиперон. У этого гиперона есть собственное вращение, спин, и физики впервые смогли измерить, насколько это вращение направлено вдоль движения частицы.

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.