очарованный кварк

В ядерной физике давно не давала покоя загадка: почему среди элементов легче висмута только технеций (№43) и прометий (№61) не имеют ни одного стабильного изотопа — разновидности атома с тем же числом протонов, но другим числом нейтронов? Все их соседи по таблице Менделеева могут похвастаться хотя бы одним долгоживущим вариантом, а эти два словно выпадают из общей закономерности.

Пространство-время не пусто — оно дрожит. После Большого взрыва Вселенную наполнял гул гравитационных волн, похожий на низкий гул гигантского колокола. В этой ряби, как выяснилось недавно, могут рождаться частицы тёмной материи — невидимого вещества, которое скрепляет галактики. Но у прежней идеи была загвоздка.

Капля жирных сливок в стакане молока. Если взболтать, жир не размажется равномерно — он соберётся в более плотные сгустки, которые движутся иначе, чем остальная жидкость. Примерно так же ведут себя кварки внутри мезонов — крошечных частиц, живущих ничтожные доли секунды. Мезон состоит из кварка и антикварка, и они редко бывают равноправны.

Три гирьки необычной формы лежат на столе. Их точный вес неизвестен, но стоит положить их на чашечные весы в определённой комбинации — и стрелка всегда указывает на одно и то же магическое число. Примерно так выглядит загадка, которую физики называют соотношением Коидэ для трёх заряженных лептонов: электрона, мюона и тау-частицы.

Обычное вещество состоит из атомов, а атомы — из ядер и электронов. Но в нейтронной звезде гравитация сжимает материю так сильно, что электроны вдавливаются в протоны, и почти всё превращается в плотную упаковку нейтронов. Это похоже на одно огромное атомное ядро размером с город. А что, если сжать ещё сильнее?

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.

Тяжёлые частицы, которые физики называют барионами, похожи на крошечные семьи из трёх кварков. Обычные барионы — это протоны и нейтроны, из которых состоит всё вокруг. Но есть и экзотические родственники: в них вместо лёгких кварков живут очарованные или прелестные кварки — тяжёлые и недолговечные.

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.

Вода в чайнике закипает при ста градусах, но если её сильно сжать, она поведёт себя иначе. Примерно так же кварки и глюоны — кирпичики, из которых сложены протоны и нейтроны, — меняют свои свойства в сильном магнитном поле.

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.

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.

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.

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.

Кристалл размером с половину спичечного коробка вырастили в печи, где расплавленная зона медленно ползла вдоль стержня, оставляя за собой идеально упорядоченные слои. Внутри этого кристалла ионы меди сидят в узлах треугольной сетки — но треугольники слегка перекошены, как будто кто-то надавил на один угол. Каждый ион меди ведёт себя как крошечная магнитная стрелка, которая может указывать вверх или вниз.

В огромном ускорителе частиц, где протоны на скорости, близкой к световой, врезаются в неоновую мишень, рождаются очарованные барионы — частицы, которые живут меньше миллиардной доли секунды. Учёные из коллаборации LHCb впервые сумели измерить, как эти частицы «крутятся» — точнее, как направлен их спин, — и обнаружили неожиданную разницу между частицами и их зеркальными двойниками.

На Большом адронном коллайдере, разгоняя частицы до околосветовых скоростей, рождают топ-кварки — самые тяжёлые фундаментальные «кирпичики» Стандартной модели. Их время жизни — ничтожные доли секунды, но за эти мгновения они успевают проявить сложные квантовые корреляции.

В центре столкновения двух ядер свинца на миг рождается крошечный огненный шар — материя настолько горячая, что протоны и нейтроны плавятся, и кварки с глюонами свободно плавают в этом «супе». Такой суп называют кварк-глюонной плазмой. Она существовала в первые микросекунды после Большого взрыва, и теперь её воссоздают на ускорителях.

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.

Топ-кварк — самая массивная из известных фундаментальных частиц, кирпичиков материи. Однако теоретические модели предсказывают существование его скрытного двойника — T-кварка, который может быть в разы тяжелее. Чтобы заставить его проявиться, физики используют необычный инструмент: столкновения протонов с мюонами — нестабильными, более тяжёлыми собратьями электрона.

Два волчка запускают одновременно и в противоположные стороны. Если один крутится влево, второй всегда крутится вправо — как бы далеко они ни разлетелись. Примерно так устроена квантовая запутанность, только вместо волчков — топ-кварки, самые тяжёлые частицы из известных.