нарушение CP-инвариантности

Два танцора на одной сцене повторяют движения друг друга, даже когда их разделяет занавес. В квантовом мире такие пары называют запутанными, и физики уже полвека проверяют, насколько далеко простирается эта связь. До сих пор все тесты с массивными частицами касались их внутренних свойств, например спина, но не самого движения.

Нейтрино — это элементарные частицы, которые каждую секунду миллиардами проходят сквозь наши тела, не задевая ни одного атома: они почти не взаимодействуют с веществом. У них есть загадочное свойство: по пути от Солнца или ускорителя они могут менять свой тип, или «аромат», — например, из электронного нейтрино превращаться в мюонное.

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.

Ранняя Вселенная представляла собой горячий «бульон» из частиц и античастиц, которые непрерывно рождались и аннигилировали парами. Согласно законам симметрии, они должны были полностью уничтожить друг друга, но крошечный избыток вещества уцелел. Из этого избытка впоследствии сформировались звёзды, планеты и всё, что мы видим вокруг, включая нас самих.

Сверхчувствительные весы пытаются уловить разницу между двумя почти одинаковыми песчинками. Одна из них — идеальное отражение другой, как в зеркале. В мире элементарных частиц такое зеркальное отражение называют P-чётностью — фундаментальной симметрией, которая, как выяснилось, нарушается в слабых взаимодействиях.

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.

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.

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».

Квантовая хромодинамика — это теория, описывающая, как кварки и глюоны собираются в протоны и нейтроны. В её уравнениях есть один странный угол, параметр θ (тета).

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.

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.

С одной стороны весов — всё вещество Вселенной, с другой — всё антивещество. По законам физики в момент рождения мира чаши должны были уравновеситься. Но мы видим, что одна чаша перевесила: вокруг нас звёзды, планеты, люди, а антивещества почти нет. Этот перекос — одна из главных загадок.

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.

Старение батареи похоже на усталость металла: трещина зреет внутри задолго до того, как деталь сломается. Обычно о проблеме узнают, когда ёмкость падает ниже 80% — но к тому моменту повреждения уже необратимы.

Сверхпроводник похож на идеальный хоровод электронов: они движутся парами, не теряя энергии, словно танцоры, которые никогда не сбиваются с ритма. Но стоит добавить немного магнитных примесей — и в хоровод врезаются посторонние, мешая синхронному движению. Температура, при которой начинается этот танец, падает.

Слабый принцип эквивалентности, негласно проверяемый со времён Галилея и положенный в основу общей теории относительности, утверждает: все тела падают одинаково, независимо от внутреннего устройства.

Огромный оркестр настраивается перед концертом. Каждый инструмент издаёт свой шум, и в общем гуле трудно разобрать отдельные звуки. Но если дирижёр на секунду взмахнёт палочкой особым образом, все скрипки одновременно возьмут одну высокую ноту — и этот чистый звук прорежет какофонию. Именно такой «дирижёрский взмах» мог произойти в первые мгновения жизни Вселенной.

В переполненном зале, где кружатся пары, порой пробегает волна: одни пары распадаются, другие возникают, и движение подхватывает всех. Похожим образом ведёт себя густое облако нейтрино — мельчайших частиц, которые почти не замечают вещества.

Кастрюля с водой остывает так медленно, что остаётся жидкой даже ниже нуля. Одно крошечное возмущение — и она мгновенно превращается в лёд, высвобождая скрытое тепло.

Нейтрино — самые распространённые частицы с массой во Вселенной. Эти «частицы-призраки» почти не взаимодействуют с веществом: триллионы проходят сквозь нас каждую секунду, не оставляя следа. Их совокупное гравитационное притяжение, хоть и чрезвычайно слабое, способно влиять на движение целых галактик.

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.

Бросьте камень в пруд — круги разойдутся ровно и затихнут. Гравитационные волны, рождённые слиянием чёрных дыр, ведут себя иначе: даже после прохождения основной волны остаётся слабый «хвост». Это как если бы после кругов на воде ещё долго дрожала рябь, вызванная не самим камнем, а тем, как вода «помнит» его удар.

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.

Свет бежит по комнате, отражается от зеркал и стен. Пустота между ними кажется совершенно нейтральной: она не мешает лучу, не искривляет его путь. Но что, если в самых глубоких основах мира пустота устроена сложнее? Физики давно подозревают, что симметрия пространства может нарушаться на крошечных масштабах — и тогда свет поведёт себя иначе.

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.

В детекторе LHCb, словно в гигантской камере с миллиардами «снимков», ловят редкие события: как короткоживущие частицы — B-мезоны — разваливаются на более лёгкие. Один из таких распадов, когда B-мезон превращается в каон и пару мюонов, особенно интересен. В нём, как в зеркале, может проявиться разница между материей и антиматерией.

Капля металла на полупроводнике — как остров в море. Электрон, чтобы попасть на этот остров, должен заплатить «пошлину»: преодолеть барьер, который возникает из-за того, что остров крошечный, и каждый лишний заряд сильно меняет его энергию. Это явление называют кулоновской блокадой. Оно лежит в основе одноэлектронных транзисторов, где ток течёт по одному электрону.

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.

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.

Магнитная стрелка компаса указывает на север, но что, если само пространство имеет скрытую ось? Физики проверили, не нарушается ли одинаковая во всех направлениях структура мироздания, используя магнитное поле Земли. В уравнения электромагнетизма можно добавить слагаемое, которое выделяет одно направление — как если бы у Вселенной появился «север».

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.

В каждой клетке живёт неутомимый переписчик — фермент, который копирует длинную нить ДНК. Он движется по ней, как считывающая головка по магнитофонной ленте, и строит рядом новую нить. Буквы он подбирает строго по правилу: напротив А всегда ставит Т, напротив Г — Ц. Но иногда, очень редко, рука его дрожит — и вместо нужной буквы встаёт другая.

Согласно теории Большого взрыва, которую развил Жорж Леметр, Вселенная начала расширяться из сверхплотного и горячего состояния. Затем, как предположил Алан Гут, она прошла через фазу экспоненциального раздувания — инфляцию.

Вселенная — это пирог, который готовят по одному рецепту, но чайная ложка и кухонные весы упорно показывают разное количество сахара. Так и с расширением Вселенной: измерения по близким звёздам (ложка) дают одно значение постоянной Хаббла, а по древнему свету Большого взрыва — реликтовому излучению (весы) — совсем другое.

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.