детектор 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.

Представьте конвейер, по которому каждую секунду проносятся 30 миллионов посылок, а контролёр должен мгновенно решить, что внутри: ценный груз или мусор. На Большом адронном коллайдере такой конвейер — это триггер эксперимента LHCb, отбирающий редкие распады частиц среди миллиардов столкновений.

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.

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.

Клетки кровеносного сосуда высеяли на прозрачную плёнку толщиной 700 нанометров — в сотню раз тоньше человеческого волоса. Под плёнкой спрятаны плоские электроды. Они посылают слабый переменный ток и слушают, как меняется сопротивление.

Обычный радар напоминает микрофон в гудящей толпе: отдельные звуки сливаются в кашу. PiVoT работает как дирижёр, который в хаосе настройки мгновенно распознаёт каждый инструмент. Вместо того чтобы перебирать гипотезы, алгоритм стягивает петлю вокруг самых вероятных целей — автомобилей, велосипедистов, пешеходов.

Тёмная материя — невидимый архитектор Вселенной, удерживающий галактики от разлёта. С лёгкой руки Фрица Цвикки и Веры Рубин мы знаем: обычного вещества в космосе — лишь ничтожная примесь. Но что скрывается за этим тёмным веществом?

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.

Крошечная монетка кружит вокруг тяжёлого шара для боулинга. Монетка — это небольшая чёрная дыра или нейтронная звезда, а шар — сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики.

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.

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.

Крошечная стеклянная бусина висит в луче лазера, как пылинка в солнечном свете. Вокруг неё — разреженный газ: атомы криптона, ксенона и тяжёлые молекулы шестифтористой серы. Они сталкиваются с бусиной, и каждый удар передаёт ей крошечный импульс — как горошина, брошенная в натянутую простыню, заставляет её дрожать. Импульс — это мера движения: произведение массы на скорость.

Холодное облако атомов похоже на рой светлячков, которые тянутся друг к другу. Притяжение между атомами пытается собрать их в один плотный ком. Но квантовое дрожание — неустранимое движение частиц — мешает кому схлопнуться. Когда притяжение сильное, облако разбивается на отдельные сгустки.

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.

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.

Протоны, разогнанные до огромной энергии, врезаются в толстую металлическую плиту — как пули в броню. Внутри металла на мгновение рождается частица J/ψ, которая тут же распадается на два мюона — лёгких родственника электрона. Эти мюоны вылетают из мишени, и детекторы ловят их следы. Учёные сравнили число пойманных мюонов с предсказаниями компьютерной модели.

При столкновении тяжелых ядер на ускорителях рождается множество частиц, и физики хотят понять, как в этом хаосе перемещается электрический заряд. Два поезда врезаются друг в друга: пассажиры (кварки) разлетаются, но их багаж (заряд) может оказаться далеко от места крушения.

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.

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.

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.

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.

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.

Силовой транзистор на карбиде кремния работает под напряжением, которое в тысячи раз выше розеточного. Если внутри него поле распределится неравномерно, прибор сгорит. Раньше увидеть это поле не могли: оно слишком сильное для обычных датчиков, а прибор при этом должен оставаться под напряжением.

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.

Два близнеца выглядят одинаково, но один — левша, а другой — правша. В мире элементарных частиц есть похожие пары: Ξ- и её античастица Ξ+. Они рождаются вместе в распаде частицы J/ψ и, как запутанные близнецы, сохраняют связь даже на расстоянии. Учёные на установке BESIII в Китае проследили за миллиардами таких пар, чтобы узнать, одинаково ли они распадаются.

В японской лаборатории KEK электроны и их антиподы — позитроны — сталкиваются внутри детектора Belle II. При таких столкновениях на краткий миг рождаются новые частицы. Среди них — J/ψ, связанное состояние очарованного кварка и его антикварка. Физики измерили, как часто вместе с J/ψ появляются пары других частиц: пионы, каоны или протоны.

В ускорителе BEPCII электроны и позитроны сталкиваются, рождая миллиарды частиц. Среди них — мезон J/ψ, живущий меньше миллиардной доли секунды. Его распад иногда даёт эта-мезон (ηc), ещё более короткоживущий сгусток кварков. Впервые удалось увидеть, как этот эта-мезон превращается в пару кси-гиперонов: частиц, содержащих странный кварк.

В 2018 году на Большом адронном коллайдере шёл особый сбор данных: детектор CMS ловил столкновения протонов с бешеной скоростью, чтобы набрать десять миллиардов частиц с прелестным кварком. Эти частицы, B-мезоны, живут крошечные доли секунды и распадаются на более лёгкие частицы, как перегруженный поезд, сбрасывающий вагоны на ходу.

В темноте вспыхивает крошечная искра. Гамма-луч, родившийся внутри тела пациента, попадает в кристалл и выбивает в нём сноп света. Задача детектора — понять, где именно это произошло. Чем точнее ответ, тем чётче картинка на экране томографа. Новый детектор напоминает пчелиные соты, но не плоские, а сужающиеся книзу. Каждая ячейка — воронка: сверху вход 1,6 на 1,6 миллиметра, снизу выход 2 на 2 миллиметра.

В плазменном ускорителе частицы разгоняются, как сёрферы на волне, созданной в плазме. Если ведущий сгусток и хвостовой сгусток летят не по одной линии, возникает неустойчивость, которая раскачивает хвостовой сгусток. Это как если бы сёрфер на волне начал вилять из стороны в сторону — его траектория портится, и он может вылететь с волны.

В ускорителе частиц анти-лямбда-частица — редкий гость. Она рождается на лету, живёт крошечную долю секунды и обычно распадается сама. Но иногда успевает врезаться в обычный протон — и тогда рождается целый сноп лёгких частиц: каоны, пионы. Такие столкновения впервые разглядели в детекторе BESIII на ускорителе BEPCII в Пекине.

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 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 LHCb Большого адронного коллайдера сталкиваются протоны, и на краткий миг рождаются частицы, которых нет в обычном веществе. Одна из них — нейтральный B-мезон. Он живёт меньше миллиардной доли секунды и распадается на две другие частицы: узкий резонанс J/ψ и более широкий ρ(770). Физики проследили за миллионами таких распадов и заметили странную вещь.

В ускорителе частиц в Пекине сталкивают электроны с позитронами, и на короткий миг рождается частица под названием эта-си. Она живёт крошечную долю секунды и распадается на другие частицы. Один из самых редких путей — разлететься на два фотона, частицы света. До сих пор никто не мог точно сказать, как часто это происходит.

В детекторе BESIII частицы разыгрывают спектакль: сталкиваются, рождаются и распадаются, оставляя вспышки света. Но иногда актёр может уйти со сцены незаметно — через потайную дверь, которую не видят камеры. Физики искали именно такие «тихие» распады, когда частица превращается в нечто невидимое для приборов.