фермилаб

Настройка радиоприёмника на станцию, которая меняет частоту при пересечении границы фаз, — так можно представить задачу, стоявшую перед исследователями. В металле YbRh2Si2 электроны ведут себя как «тяжёлые» частицы: их эффективная масса в сотни раз больше массы свободного электрона.

Кристалл хенмилита, напоминающий слоёный пирог из меди и бора, представляет собой спиновую лестницу: спины меди организованы в две параллельные цепочки, соединённые «перекладинами».

Магнит весом в несколько песчинок парит в воздухе без всякой опоры. Он не касается стенок, не трётся о подшипники — просто висит в магнитной ловушке, как пылинка в солнечном луче. Исследователи заставили эту кроху работать сверхчувствительным компасом: прибор ловит изменения магнитного поля в 23 фемтотесла.

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.

В кромешной тьме вакуумной камеры парит крошечный магнит. Он не касается стенок и почти не теряет энергию — идеальный страж, готовый уловить слабейший толчок. Именно такой страж нужен для охоты на аксионы. Эти частицы — главные подозреваемые в деле о скрытой массе Вселенной, которую мы называем тёмной материей.

Почти полтора десятилетия назад гамма-телескоп Fermi зарегистрировал загадочные «пузыри» — гигантские сгустки плазмы, словно надутые невидимыми лёгкими, вздымающиеся на десятки тысяч световых лет от центра Галактики.

Волчок крутится, но его ось остаётся невидимой. Примерно так ведёт себя мюон — тяжёлый родственник электрона. Его спин (внутреннее вращение) меняет направление, и судить об этом можно лишь по тому, как мюон распадается. В новом эксперименте учёные проследили за спинами примерно 10 миллиардов мюонов, используя данные установки Muon g-2 в Фермилабе.

В огромном кольце магнитов под Чикаго мюоны кружили, как фигуристы на катке. Только вместо музыки — магнитное поле, а вместо вращения — едва заметное покачивание спина. Это покачивание физики называют аномальным магнитным моментом. Проще говоря, мюон — тяжёлый собрат электрона — слегка «дрожит» в магнитном поле.

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.

Электрон и его более тяжёлый родственник — мюон — ведут себя как крошечные магниты. Их магнитный момент в специальных единицах чуть превышает двойку, и эта «избыточная доля» называется аномальным магнитным моментом.

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.

В тёмной комнате на лазерном луче висит стеклянная бусина размером с пылинку. Под ней — два зеркала: алюминиевое и серебряное. Если где-то рядом проносятся аксионы — лёгкие частицы-невидимки, которые могли бы составить таинственную тёмную материю, — они обмениваются ими с атомами зеркал, и бусина чуть-чуть смещается.

Гигантское облако из газа и пыли, такое холодное, что тепло в нём едва теплится — всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это ТМС-1 в созвездии Тельца, одна из самых тёмных и плотных колыбелей молекул в нашей Галактике. За последние годы она стала настоящей сокровищницей для астрохимиков: число найденных там веществ выросло более чем вдвое.

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.

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.

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 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.

Глубоко под землёй, в бывшей золотой шахте в Австралии, стоит лаборатория, где тишину нарушают только редкие вспышки света. Эти вспышки — следы космических частиц, которые пробиваются сквозь сотни метров горной породы. Восемь пластиковых панелей, похожих на большие светящиеся листы, ловят эти частицы.

Физики заперли облачко атомов лития в оптический резонатор — между двумя зеркалами. Свет мечется внутри, словно в эхо-комнате, многократно отражаясь, и заставляет атомы синхронно излучать. Возникает сверхизлучение — коллективное испускание фотонов, подобное хору, где отдельные голоса сливаются в единый гром.

В столкновениях тяжёлых ядер рождается огненный шар из тысяч частиц. Среди них — пионы и каоны, два вида лёгких частиц, которые очень похожи друг на друга. Чтобы понять, что происходит в этом огненном шаре, физикам нужно точно знать, сколько каких частиц вылетело.

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.

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.

Внутри Большого адронного коллайдера протоны разгоняются почти до скорости света и сталкиваются лоб в лоб. В точке удара на миг рождается сгусток энергии, из которого могут появиться новые частицы. Одна из самых тяжёлых — топ-кварк. Он тяжелее протона в 180 раз и живёт меньше, чем нужно свету, чтобы пересечь атомное ядро.

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.

В подземном зале Фермилаба стоит огромный бак с жидким аргоном — прозрачной жидкостью при температуре минус 186 градусов. Когда невидимая частица нейтрино влетает в этот бак, она иногда задевает ядро аргона, и вспыхивает короткий след из заряженных частиц. Детектор MicroBooNE ловит такие вспышки уже несколько лет и накопил сотни тысяч записей.

Мюон — тяжёлый брат электрона, который живёт всего две миллионные доли секунды. В магнитном поле он крутится, как волчок, но чуть быстрее, чем предсказывают формулы. Двадцать лет назад в Брукхейвене это «чуть быстрее» заметили, и с тех пор физики спорили: то ли приборы врут, то ли в пустоте прячутся неведомые частицы.

Тёмная материя — загадочная субстанция, которая в пять раз массивнее обычного вещества, но не испускает и не поглощает электромагнитное излучение. Её природа остаётся одной из главных нерешённых задач физики.

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.

Представьте мембрану, натянутую, как кожа на барабане. Она улавливает сразу два сигнала: гравитационные волны — дрожь самого пространства-времени — и неуловимые частицы тёмной материи. Мембрана помещена между зеркалами, и свет давит на неё, словно палец на струну, удерживая в постоянном натяжении.

Два электрона в узкой трубке не хотят быть рядом. Оба несут отрицательный заряд и расталкивают друг друга, как два магнита, повёрнутые одинаковыми полюсами. Если трубка совсем тонкая, им не разойтись в стороны — остаётся только выстроиться друг за другом. Физики называют это вигнеровской локализацией: частицы занимают фиксированные места, словно бусины на натянутой нитке.

Мюон — это элементарная частица, похожая на крошечный волчок, вращающийся в бурном море вакуума. Его магнитная ось — вектор, описывающий силу и направление магнитного поля, — указывает чуть в сторону от того, что предсказывает Стандартная модель физики частиц.