детектор CMS

Пучок антипротонов врезается в пластину, и каждый удар рассыпается снопом заряженных частиц. В эксперименте GBAR в ЦЕРН такую картину наблюдают не сложным детектором, а обычной промышленной камерой без объектива, прижатой к вакуумному окну снаружи.

Вместо ледяной ванны — тёплая газовая рубашка. Именно так теперь охлаждают криогенный компаратор тока в Национальном метрологическом институте Японии. Раньше этот прибор, сверяющий электрические токи с точностью до миллиардных долей, требовал погружения в жидкий гелий. Сегодня он работает в замкнутом холодильнике, где его греет не жидкость, а газ.

На юге Индии, в городе Мадурай, с 2018 по 2022 год стоял необычный «ловец» космических частиц — прототип mini-ICAL массой 85 тонн. Это уменьшенная в 600 раз версия будущего детектора нейтрино (неуловимых частиц-призраков), который построят глубоко под землёй.

В 21-километровом кольце подмосковного Протвино когда-то планировали разгонять протоны. Сегодня та же труба могла бы принять совсем другую машину — мюонный коллайдер. Мюон — тяжёлый родственник электрона, и в этом его сила. Электрон на вираже кольца излучает как прожектор, теряя драгоценную энергию. Мюон излучает в миллиард раз слабее.

Космология похожа на оркестр, где разные группы инструментов вдруг начали играть вразнобой. Измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла) по ранней и поздней Вселенной дают разные числа. Другие наблюдения намекают на «отрицательную» массу нейтрино нейтронных звёзд — физический нонсенс.

В конце 1990-х звёздное небо преподнесло сюрприз: Сол Перлмуттер и Адам Рисс обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. С тех пор главной загадкой остаётся тёмная энергия — субстанция, составляющая почти 70% космоса, но ускользающая от лабораторного изучения.

Два маятника висят на одной перекладине. Толчок — и они начинают качаться, постепенно то сходясь в такт, то расходясь. В топологическом кубите роль таких маятников играют майорановские частицы — особые возбуждения, способные хранить квантовую информацию. Но как понять, хорошо ли эти «маятники» изолированы друг от друга и насколько чётко разделены их энергетические уровни?

Попытка пересчитать людей в тёмной комнате по звуку дыхания упирается в общий шум — отдельных вдохов не слышно. Похожая задача стоит перед учёными, которые работают с квантовыми спинами в твёрдых телах. Каждый спин (магнитный момент электрона) обладает своим «голосом», но его заглушает технический шум приборов.

Вселенная в возрасте 700 миллионов лет — это шумная новостройка, где только начинают загораться первые огни. Телескопы поймали сигнал из этой далёкой эпохи: галактика REBELS-25, массивная и полная звёздного топлива. Радионаблюдения на телескопах VLA и ALMA выявили слабое, но уверенное свечение молекул угарного газа (CO).

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро стремительно коллапсирует, инициируя взрыв сверхновой. Этот катаклизм порождает потоки частиц — подобно расходящимся кругам от брошенного в воду камня. Первыми достигают Земли быстрые нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом.

Каждую секунду сквозь тело проходит около сотни невидимых частиц — мюонов. Они рождаются высоко в небе, когда космические лучи сталкиваются с атомами воздуха, и дождём сыплются на Землю. Эти частицы настолько проникающие, что могут пройти сквозь многоэтажное здание, но при этом слегка меняют направление, встретив плотное вещество — например, свинец или уран.

Старая фотография, сделанная в момент рождения Вселенной, почти 14 миллиардов лет несёт к нам свой свет. Этот снимок — реликтовое излучение, остывшее эхо Большого взрыва. На нём запечатлены мельчайшие неоднородности, из которых позже выросли галактики.

Лёд, вода, пар — фазовые переходы, знакомые каждому. Но что происходит, если сжать и разогреть само ядро атома? Теоретики полагают, что протоны и нейтроны в нём «плавятся», высвобождая кирпичики помельче — кварки и глюоны. Получается горячая каша, которую называют кварк-глюонной плазмой.

В глубине детектора Большого адронного коллайдера сталкиваются протоны, и на короткий миг рождается нечто тяжёлое. Оно мгновенно рассыпается на два бозона Хиггса — частицы, которые, как матрёшки, скрывают в себе ещё по две пары b-кварков.

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.

В плотном газовом коконе вокруг молодой массивной звезды, словно в гигантской химической колбе, сталкиваются потоки вещества. Один из них движется относительно нас со скоростью около 11 километров в секунду, другой — около 5. Телескоп в Онсале (Швеция) уловил их радиоголоса и разложил на сотни спектральных линий — отпечатков молекул.

Двое часов показывают разное время. Одни стоят у нас на столе, другие — далеко в прошлом, в свечении, оставшемся после Большого взрыва. Первые, глядя на близкие галактики, отсчитывают скорость расширения Вселенной — около 73 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния. Вторые, вглядываясь в древний свет, дают заметно меньше — примерно 67.

Внутри детектора, похожего на большой термос с германием, рождаются слабые вспышки. Нейтрино — крошечные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом, — изредка задевают ядра германия. Ядро вздрагивает, и детектор фиксирует этот толчок. Но чтобы отличить настоящий сигнал от шума, прибор нужно точно откалибровать.

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.

В самом сердце Млечного Пути что-то непрерывно светится в гамма-лучах. Свет этот особенный — с энергией ровно 511 тысяч электронвольт. Такая энергия появляется, когда электрон встречает свою античастицу, позитрон, и они вместе исчезают, оставив вспышку света.

Бозон Хиггса — как дирижёр, задающий массу всем остальным частицам. Без него электроны были бы безмассовыми, а атомы развалились бы. Но как именно дирижёр взаимодействует сам с собой? Это главный вопрос, на который должен ответить будущий мюонный коллайдер. В статье рассмотрена установка MUSIC, спроектированная для столкновений мюонов при энергии 10 ТэВ.

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.

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.

Свет, закрученный в одну сторону, падает на протон. Частица может поглотить фотон или оттолкнуть его — и это зависит от того, как направлен её собственный спин, крошечный внутренний волчок.

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.

На Большом адронном коллайдере сталкиваются протоны, и из вспышки рождаются десятки частиц. Среди них могут быть следы редких процессов — например, распад бозона Хиггса на два W-бозона. Но эти частицы разлетаются так быстро, что их следы сливаются в одну широкую струю. Выделить такую струю среди тысяч похожих — всё равно что найти нужную ветку в шумящем лесу.

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.

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.

Столкновение двух свинцовых ядер на Большом адронном коллайдере — это как бросить друг в друга два увесистых мешка с шариками. Обычно шарики разлетаются во все стороны, но иногда один мешок пролетает так близко, что шарики не сталкиваются, а лишь обмениваются взглядами.

В огромных ускорителях частицы пролетают детекторы за миллиардные доли секунды, и чтобы отличить одну от другой, нужен секундомер невероятной точности. Новый детектор µRWELL-PICOSEC действует как такой секундомер: он ловит момент пролёта частицы с точностью до 48 пикосекунд — это 48 триллионных долей секунды. Секрет в том, что детектор объединяет два явления.

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.

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 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.

Камера, которая ищет опухоли, работает как очень чувствительный фотоаппарат: ловит слабое свечение от вещества, накопленного в больных клетках. В обычных аппаратах свет рождается в кристалле — твёрдом куске, похожем на стекло. Но кристалл не всегда точно передаёт, где именно вспыхнул свет, и картинка получается слегка размытой. Новая идея — заменить кристалл на жидкий ксенон.

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.