энергия столкновения

В холодном облаке TMC-1, где температура не поднимается выше десяти градусов выше абсолютного нуля, молекулы почти не встречаются друг с другом. Но время от времени сквозь них пролетает атом гелия, и этого короткого касания достаточно, чтобы молекула изменила своё вращение. Именно такие столкновения определяют, какое излучение мы увидим с Земли.

Кристалл оксида меди выглядит как тёмно-красный камешек. Но когда в него попадает короткий лазерный импульс, внутри рождаются пары: электрон и «дырка» — место, где электрона не хватает. Такая пара называется экситоном и ведёт себя почти как атом водорода: частицы кружатся друг вокруг друга, связанные электрическим притяжением.

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.

В центре далёкой галактики, где вращается сверхмассивная чёрная дыра массой в сто миллионов солнц, пространство пронизано магнитными полями. Они закручены в тугие вихри — словно воронка в раковине, только вместо воды там плазма, разогнанная до околосветовых скоростей.

2.1 × 10⁻⁹ — примерно такой же разброс температуры по небу, как если бы на океанской глади измерили рябь высотой в доли миллиметра. Эта микроскопическая неоднородность запечатлена в реликтовом излучении и рассказывает о самом начале времён.

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.

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.

Если сунуть в кастрюлю с горячей водой два одинаковых термометра, они покажут одно и то же — и мы успокаиваемся: температура измерена верно. Но в разреженном газе, разогретом до миллионов градусов, этот трюк перестаёт работать. Частицы здесь почти не сталкиваются друг с другом, поэтому самые быстрые электроны уносятся прочь, а медленные скапливаются в центре.

Два ослепительно ярких луча сталкиваются лоб в лоб. В месте их встречи на мгновение рождается частица — та самая, что отвечает за массу всего на свете. Это бозон Хиггса. Обычно его получают, разгоняя протоны или электроны, но здесь в качестве снарядов выступают сами частицы света — фотоны.

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.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду, и лишь однажды на триллион столкновений рождается пара бозонов Хиггса (частиц, отвечающих за массу всего сущего). В эксперименте CMS физики выслеживали именно такие события.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются с огромной энергией, и среди обломков иногда рождается бозон Хиггса — частица, которая даёт массу другим частицам.

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.

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.

В Большом адронном коллайдере сталкивают протоны с ядрами свинца. В момент удара рождаются сотни новых частиц, и некоторые из них вылетают узкими пучками — струями. Внутри такой струи, как в плотном потоке, протоны и нейтроны могут слипаться в более крупные ядра, например в дейтрон — ядро тяжёлого водорода.

В первые мгновения после столкновения двух ядер свинца на Большом адронном коллайдере рождается крошечный огненный шар — кварковый суп, где частицы свободно движутся. Если в этот момент возникает очень сильное магнитное поле, оно может разделить положительные и отрицательные заряды, как гребёнка разделяет волосы на пряди.

В Большом адронном коллайдере сталкивают не только протоны, но и целые ядра атомов. При ударе двух ядер на огромной скорости возникает крошечный объём раскалённой материи — настолько горячей, что протоны и нейтроны в нём плавятся и превращаются в «суп» из кварков и глюонов. Через этот суп, как через густую среду, продираются быстрые частицы.

Когда два протона сталкиваются на огромной скорости, из точки удара вылетает узкий пучок частиц — струя, похожая на брызги от брошенного в воду камня. В столкновениях тяжёлых ядер свинца всё сложнее: внутри возникает горячее облако, которое мешает струе лететь прямо. Измерение показало: если струя слабая, её путь почти не меняется.

В детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду. Среди этого потока физики выловили восемь событий, в которых после удара возникли сразу две Z-частицы и один фотон.

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.

Когда протон врезается в ядро свинца на Большом адронном коллайдере, рождается рой частиц. Они разлетаются во все стороны, но не совсем хаотично: их движение напоминает рябь на воде от брошенного камня. Физики называют такой упорядоченный разлёт «потоком».

Тёмная материя невидима, но её можно поймать на отскоке. Водород, встроенный в углеродную плёнку, работает как бильярдный шар: когда в него попадает частица тёмной материи, протон вылетает наружу. Этот вылет и есть искомый сигнал. Авторы идеи предлагают покрыть детектор гидрированным углеродом — материалом, который уже умеют делать тонкими слоями.

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.

На Большом адронном коллайдере физики разгоняют протоны почти до скорости света и сталкивают их. Обычно в таких столкновениях участвуют сами протоны, но иногда они пролетают рядом, не задевая друг друга, а взаимодействуют их электрические поля. Эти поля можно представить как облака из фотонов — частиц света, которые окружают каждый протон.