CP-симметрия

Обычное зеркало меняет местами левое и правое. Многие законы физики не замечают такой подмены — они зеркально симметричны. Но некоторые явления, например слабое взаимодействие, эту симметрию нарушают. До сих пор считалось, что гравитация и свет нарушают зеркальность каждый по-своему, независимо.

В первые мгновения после Большого взрыва вещество и антивещество были почти в равных долях. Но что-то нарушило равновесие, и в итоге остался лишь крошечный избыток обычных частиц — тот самый, из которого сложены звёзды, планеты и мы сами.

Квантовый вакуум — это не пустота, а среда, пронизанная квантовой запутанностью: состояния частиц в далёких областях оказываются взаимосвязанными. Однако попытки вычислить меру этой запутанности упирались в бесконечность.

Ранняя Вселенная — не просто горячий бульон из частиц. В первые доли секунды в ней могла нарушиться зеркальная симметрия (чётность): мир и его отражение стали бы не совсем одинаковыми.

Квантовая цепочка напоминает гирлянду, где лампочки — это спины частиц. В идеале все лампочки горят синхронно, подчиняясь общему ритму, — это и есть симметрия. Но если отрезать кусок гирлянды, ритм может сбиться: внутри отрезка симметрия нарушается. Физики исследуют цепочку частиц с сильным взаимодействием — модель XYZ.

Ранняя Вселенная росла с чудовищной скоростью — за ничтожные доли секунды раздулась до гигантских размеров. Физики описывают этот рывок одной величиной: показателем степени в формуле, похожей на крутизну горки. Чем круче горка, тем быстрее скатывается шарик — то есть тем стремительнее расширялось пространство.

Стандартная модель физики частиц — это каталог всех известных кирпичиков мироздания: электронов, кварков и других. Но она молчит о тёмной материи и не дружит с гравитацией. Новая работа делает смелый шаг: к каждому кирпичику из каталога добавляется его зеркальное отражение с противоположным вращением.

Нейтрино напоминают невидимых танцоров, которые в полёте меняют маски. Три типа этих частиц — электронное, мюонное и тау-нейтрино — постоянно переходят друг в друга. Этот танец описывается сложной матрицей смешивания, и физики давно пытаются разложить её на простые движения. Авторы новой работы пересобрали одно из таких разложений — TM1 — с помощью формализма «вкусового спина».

Квантовый мир любит баланс. Когда массивную частицу заставляют раздвоиться — пойти сразу двумя путями, — что-то должно качнуться в ответ. Этим «чем-то» оказывается сам прибор, который частицу разделил.

Электрон, пролетающий сквозь тяжёлое ядро, ведёт себя как теннисный мяч, пущенный сквозь частокол. Если прутья в заборе расставлены неравномерно — где гуще, где реже — мяч отклонится по-разному. В ядре роль «прутьев» играют протоны и нейтроны, а чувствует разницу между ними электрон благодаря слабому взаимодействию — тому самому, что отвечает за некоторые виды радиоактивности.

Космологическая кухня полна невидимых ингредиентов. Тёмная материя, словно невидимый каркас, удерживает галактики от разлёта, а тёмная энергия, как дрожжи в тесте, заставляет пространство расширяться всё быстрее.

Два близнеца входят в комнату с разных дверей. Каждый получает по коробке с кнопкой — и каждый раз, когда они нажимают на кнопку, загорается либо красная, либо зелёная лампочка. Если близнецы абсолютно одинаковы, можно ожидать, что и лампочки у них загораются по одним и тем же внутренним правилам. Но что, если правила разные, хотя сами близнецы — точные копии? Именно такую ситуацию изучали авторы работы.

Идеально отлаженный оркестр, где каждый инструмент настроен с безупречной точностью, пытается играть в шумном зале. Этот шум — квантовая гравитация, рябь пространства-времени на микроуровне. Она постоянно норовит сбить музыкантов. Аксионы, частицы-кандидаты на роль тёмной материи, и есть та самая музыка.

Многие молекулы, подобно перчаткам, существуют в виде зеркальных форм — левых и правых. Это свойство называется хиральностью.

Карусель с сиденьями двух типов: одни крутятся по часовой стрелке, другие — против. Если толкнуть сразу все, карусель дёрнется, но останется на месте. Так устроен кристалл вейлевского полуметалла: электроны в нём рождаются парами — «левый» и «правый», и их вклады в ток гасят друг друга, как два одинаковых мотора, включённых навстречу. Физики нашли способ толкать только один сорт сидений.

Вселенная, словно игроки за карточным столом, подчиняется строгим правилам. Одно из фундаментальных условий: гравитация — всегда притяжение, а энергия не может принимать отрицательных значений.

В первые мгновения после Большого взрыва материя и антиматерия должны были родиться поровну. Но сегодня мы видим только материю — звёзды, планеты, нас самих. Куда делась антиматерия? Одна из разгадок прячется в почти неуловимых частицах — правых нейтрино. Обычно считается, что они, распадаясь, создают лёгкий перекос в пользу материи.

Массивный наноалмаз в квантовом интерферометре раздваивается, натягивая на себя две реальности. Его гравитация — ничтожная, почти неощутимая — возбуждает квантовое поле вакуума, и рождаются когерентные облака гравитонов. Это гравитационные тени, отбрасываемые каждым положением массы.

Бросьте на стол десяток монет. Комбинаций орлов и решек наберётся чуть больше тысячи. Для двух десятков монет — уже миллион. Число растёт как 2 в степени количества монет, и это быстро. Но квантовые системы устроены гораздо богаче. Каждая частица здесь — не монета с двумя сторонами, а стрелка, способная указывать в любом направлении.

Вакуум — не безмолвная пустота, а бурлящий котёл квантовых флуктуаций: виртуальные частицы непрерывно рождаются из «ничего» и аннигилируют за миллиардные доли секунды. Эта незримая симфония действует как постоянный ветер, прижимающий атом к стене, — словно мощный бас толкает лёгкий шарик.

Камень падает в пруд. Круги расходятся, затухают — и вот уже поверхность снова гладкая. Но что, если у пруда нет ни берегов, ни дна, ни даже характерного размера волны? Именно в таком мире — мире без масштаба — живут квантовые системы, когда их окружает среда, не выделяющая ни одной длины или энергии. Вода в таком пруду всегда «помнит» форму камня, и волны никогда не успокаиваются до конца.

Когда химики рассчитывают поведение молекул на компьютере, они используют приближённые методы, потому что точный расчёт слишком сложен. Для лёгких атомов есть проверенные эталоны, но для тяжёлых, где важны эффекты теории относительности, таких эталонов не было. Это как проверять линейку по другой линейке, а не по эталонному метру.

В квантовом мире есть правила, которые кажутся нарушенными. Одно из них — закон сохранения: если в классической физике симметрия гарантирует сохранение заряда, то при переходе к квантовому описанию эта гарантия может исчезнуть. Такое явление называют квантовой аномалией.

Наша Вселенная, возможно, появилась не в одиночестве — одновременно с ней родился зеркальный двойник, где фундаментальные свойства вывернуты наизнанку: правое и левое меняются местами, а время течёт из будущего в прошлое.

Обычно ток течёт одинаково в обе стороны, если нет магнита. Магнитное поле или магнитный материал ломают эту симметрию: электроны начинают предпочитать одно направление. Но в новой работе физики нашли способ обойтись без магнитов. В кристалле атомы могут стоять не идеально ровно, а с беспорядком.

В сверхпроводящем резонаторе свет не просто отражается — он обнимает кубит так крепко, что их общий танец уже не описать старыми учебниками. Исследователи взяли нанопроволоку из арсенида индия, сделали из неё сверхпроводящий кубит и поместили в микроволновый резонатор.

Кристалл из ионов кальция в ловушке, подсвеченный лазером, — это крошечная модель вещества внутри белого карлика. Там, в недрах умирающей звезды, атомные ядра выстраиваются в жёсткую решётку, когда температура падает. В лаборатории физики воспроизвели этот момент: охладили облако ионов до нескольких милликельвинов и наблюдали, как оно застывает в упорядоченный узор.

Столкновение электрона и позитрона на коллайдере BESIII порождает короткоживущую частицу — очарованный барион Λc+. Внутри него, как в переполненном ящике, быстро рождается другая частица — Λ-гиперон. У этого гиперона есть собственное вращение, спин, и физики впервые смогли измерить, насколько это вращение направлено вдоль движения частицы.

Один-единственный антипротон, пойманный в ловушку и охлаждённый почти до абсолютного нуля, ведёт себя как камертон, по которому нужно ударить очень точно, чтобы услышать чистый звук. Уловить этот «звук» напрямую почти невозможно — слишком слаб сигнал.

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.

Двое часов в разных комнатах должны тикать в такт. Обычно для этого посылают яркие импульсы или пары фотонов, которые приходят точно друг за другом. Но сигнал может быть настолько слабым, что фотоны еле долетают. В этой работе часы синхронизировали светом, который в миллиард раз тусклее обычного. Спектроскопия тут ни при чём, но время связано со светом напрямую.

Свет от одной лампочки обычно расходится во все стороны, и поймать его ровно поровну в несколько каналов — та ещё головоломка. В новой работе свет делится на девять одинаковых лучей без единой линзы или зеркала. Вместо этого — стеклянная пластинка с вытравленными дорожками-световодами, по которым свет сам растекается нужным образом.

На столе в лаборатории стоит прибор, похожий на весы, но вместо чашек у него два грузика из разных металлов — бериллия и алюминия. Весы подвешены на тонкой нити, которая закручивается, если грузики тянутся по-разному. Весь прибор поворачивается вслед за Солнцем, как подсолнух, который следит за светилом, но вместо света ловит его притяжение.

Обычный лазер усиливает свет до яркого луча. Если запустить этот процесс в обратную сторону, получится антилазер — устройство, которое всасывает свет без остатка. Но такая машина капризна: достаточно лёгкого беспорядка, чтобы поглощение сорвалось. Физики нашли способ сделать антилазер неуязвимым.

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.

Пять заряженных атомов кальция парят в ловушке, удерживаемые электрическими полями. Лазерное охлаждение забирает у них лишнюю энергию, и они выстраиваются в крошечную пирамиду с квадратным основанием. Но эта пирамида не стоит на месте: время от времени она переворачивается, как будто кто-то подбрасывает её вверх и ловит вверх ногами.

Тёмная энергия и тёмная материя — незримые дирижёры космоса. Обычно их считают независимыми сущностями, но новое исследование предлагает видеть их партнёрами в сложном танце. Ведущая роль отводится тёмной энергии — загадочной субстанции, ответственной за ускоренное расширение Вселенной.

Два, казалось бы, несовместимых математических языка описывают единую квантовую реальность. Первый — язык квантовых блужданий: здесь частица (например, электрон или даже квазичастица в конденсированной среде) совершает прогулку по графу, одновременно исследуя все возможные пути — подобно тому, как пешеход в незнакомом городе мгновенно оказывается на…

В привычном нам мире три пространственных измерения. Однако теоретическая физика допускает существование дополнительных, скрытых от прямого наблюдения направлений — компактифицированных, то есть свёрнутых до микроскопических размеров.

Снежинка, падая из облака, выбирает между левой и правой формой. Разница между ними почти неощутима, как дуновение ветра, но именно оно решает, какой узор вырастет. В мире элементарных частиц такое дуновение создаёт слабое взаимодействие — единственная из четырёх фундаментальных сил, которая нарушает зеркальную симметрию.