вероятность ветвления

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.

Среди обломков столкновений частиц иногда рождаются короткоживущие «гости» — гипероны, частицы, содержащие странный кварк. Один из них, Σ0, живёт меньше одной десятимиллиардной доли секунды и распадается на лету. Поймать его напрямую почти невозможно, но можно заметить следы: он оставляет после себя другую частицу Λ и пару электрон-позитрон.

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.

Антипротон — зеркальный двойник протона: та же масса, но отрицательный заряд. Попадая в вещество, он обычно мгновенно аннигилирует — исчезает с выделением энергии, столкнувшись с ядром атома.

Футбольный стадион, где сто миллиардов зрителей одновременно чихают — и только семеро или десять делают это в полной тишине. Такую редкость ловит эксперимент NA62 в ЦЕРНе, изучая распад заряженного каона (K+) на пион (π+) и пару нейтрино (νν̄).

В 2021 году обсерватория LHAASO зарегистрировала гамма-кванты с энергией свыше петаэлектронвольта от источников вроде Крабовидной туманности — остатка взрыва сверхновой, в центре которой пульсирует нейтронная звезда.

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.

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.

Два фотона вылетают из одной точки в груди пациента. Они — близнецы: изменив один, мгновенно узнаёшь о другом. Такая связь называется квантовой запутанностью. При ПЭТ-сканировании эти пары рождаются внутри тела, когда введённое радиоактивное вещество встречается с электронами тканей. Степень этой запутанности не постоянна.

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.

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.

Ветвящаяся сеть — как речная дельта или крона дерева — строится по принципу экономии. Классический закон, выведенный ещё в 1926 году, утверждал: диаметр материнского сосуда в кубе равен сумме кубов диаметров дочерних. Это правило красиво работало для идеальных трубок, но реальные артерии упорно давали другой показатель — около 2.7 вместо 3. Авторы новой работы нашли причину.

В протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере рождаются частицы, которые живут меньше миллиардной доли секунды. Одна из них — Bs-мезон, состоящий из странного кварка и прелестного антикварка. Учёные из коллаборации LHCb впервые поймали момент, когда Bs-мезон распадается на три частицы: нейтральный каон (K0S) и два заряженных каона.

Протон — не сплошной шарик. Его заряд, масса и другие свойства распределены в пространстве по-разному, и у каждого свойства свой радиус. Физики давно умеют измерять, где сосредоточен заряд протона и где его масса. Теперь они добрались до ещё одной характеристики — барионного числа, то есть числа, которое показывает, сколько тяжёлых частиц (барионов) участвует в процессе.

Протон нельзя увидеть как простой шарик. Если ударить по нему фотоном, он может поглотить энергию и перейти в возбуждённое состояние — как колокол, который начинает звенеть на определённой частоте после удара. Эти состояния называют нуклонными резонансами, и они живут очень недолго, прежде чем распасться на другие частицы.

Бозон Хиггса живёт невообразимо мало — меньше миллиардной доли секунды. Поймать его напрямую нельзя, поэтому физики смотрят на то, что остаётся после его распада: струи частиц, мюоны, нейтрино. Но часть информации теряется, если учитывать только явные следы распада, а не всё событие целиком.

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.

Внутри ускорителя частицы сталкиваются, и на короткий миг рождается B-мезон — тяжёлая частица, живущая меньше миллиардной доли секунды. Обычно она распадается на множество осколков, но иногда превращается всего в две частицы: мюон и нейтрино. Этот редкий путь похож на лотерею, где выигрышный билет выпадает один раз на два миллиона тиражей.

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 воздухе, которым мы дышим, постоянно происходят невидимые глазу химические события. Одно из них — рождение и мгновенная гибель частицы с формулой H₂COO. Её называют «промежуточным соединением»: она появляется на долю секунды, когда молекулы озона сталкиваются с органическими веществами, и тут же разваливается на более простые осколки.

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.

Два фотона, как две половинки одной монеты, разлетаются на десятки километров, но остаются связанными: измеришь одну — мгновенно узнаешь состояние другой. Это свойство называют запутанностью, и оно лежит в основе квантовой связи.

Две частицы держатся друг за друга, как альпинисты в одной связке, и летят на стену. Ударятся — отскочат вместе или связка порвётся? От чего это зависит? Физики рассмотрели самый простой случай: всё происходит на одной прямой, частицы притягиваются только когда находятся в одной точке, а стена абсолютно твёрдая.