гигаэлектронвольт

Конвейер на заводе выплёвывает детали строго по одной за такт. Если такт короткий, а брака мало, линия работает быстро. В квантовой оптике роль такого конвейера играет источник одиночных фотонов: он должен выдавать ровно один квант света за каждый цикл, и чем чаще циклы, тем больше фотонов уходит в оптоволокно.

В недрах Солнца протекают термоядерные реакции, которые могут порождать гипотетические лёгкие частицы — аксионы, почти не взаимодействующие с веществом. Один из таких процессов, если он существует, приводит к появлению аксионов с энергией 5,49 МэВ — это сравнимо с энергией теннисного мяча, летящего со скоростью 100 км/ч.

Космические лучи — это заряженные частицы (в основном протоны и атомные ядра), которые движутся в межзвёздном пространстве со скоростями, близкими к скорости света. Их энергия может в миллионы раз превышать энергию частиц, достижимую в самых мощных земных ускорителях.

Протонный пучок, направленный в опухоль, проходит сквозь мягкие ткани, как нож сквозь масло, но его пробег зависит от мельчайших свойств воды, из которой мы в основном состоим. Вода — главный компонент тела, и от того, насколько быстро протоны в ней тормозятся, зависит, где именно они отдадут свою энергию.

Вселенная иногда напоминает старую ткань: после быстрого остывания в ней могли остаться складки — тонкие, почти невидимые нити чудовищной плотности. Их называют космическими струнами. Обычно в центре такой струны прячется сингулярность — точка, где кривизна пространства-времени бесконечна, и законы физики теряют смысл.

Тайна главного излома в спектре галактических космических лучей — колена при 3 ПэВ — хранилась почти век. Ещё в 1930-х Фриц Цвикки предположил, что частицы разгоняются ударными волнами сверхновых, но лишь точные данные наших дней позволили заглянуть за кулисы.

В оркестре каждый музыкант играет свою партию, но в определённый момент все инструменты замирают на одной ноте. Примерно так ведут себя космические лучи — частицы, летящие к нам от далёких звёзд.

Прожектор светит всё ярче, но на каком-то пределе лампочка вдруг перегорает — и дальше свет не идёт. Нечто похожее увидели астрофизики у далёкого блазара Маркарян 421. Это активная галактика, чья струя раскалённой плазмы (джет) смотрит почти точно на Землю, как луч космического маяка.

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. Его атомы напоминают миниатюрные антенны: они излучают и поглощают электромагнитное излучение на строго определённых частотах.

Детектор, заполненный сверхтекучим гелием-4, похож на идеально тихое озеро. Жидкость не плещется, не пузырится — она замерла в едином квантовом состоянии. Сквозь неё пролетает невидимый гость — частица тёмной материи. Сама она не светится и не оставляет следа. Но иногда задевает ядро атома гелия. Ядро получает слабый толчок и сдвигается.

Капля воды в сильном электрическом поле вытягивается. Так же ведёт себя и ядро дейтерия — связанная пара из протона и нейтрона, только поле здесь создаёт пролетающий гамма-квант, а вместо вытягивания ядро может просто развалиться на части. В Шанхайской лаборатории SLEGS этот процесс впервые изучили на густой сетке энергий — от 2,33 до 19,65 МэВ — и записали, как часто ядро не выдерживает.

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.

Гамма-всплеск GRB 221009A полыхнул так ярко, что его назвали «ярчайшим за всё время». Обсерватория LHAASO поймала от него гамма-кванты с энергией вплоть до 13 ТэВ — это в тысячи раз больше, чем энергия частиц в рентгеновском кабинете.

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.

В подвале лаборатории в Ювяскюля стоит ловушка, которая держит один-единственный атом на весу, как фокусник — шарик на кончике пальца. Атом олова-113 нестабилен: рано или поздно он ловит один из своих электронов и превращается в индий-113, испуская неуловимую частицу — нейтрино. Сколько энергии при этом выделяется, раньше знали лишь приблизительно.

Свет в оптоволокне — это поток фотонов, и для квантовой связи нужны одиночные фотоны, которые можно отправлять по одному. Но сделать так, чтобы они вылетали быстро и при этом были неотличимы друг от друга, — сложная задача.

Гамма-лучи с энергией выше ста триллионов электронвольт — как камни, брошенные с невероятной силой. Долгое время считалось, что запустить такие «камни» могут только протоны — тяжёлые частицы, разогнанные в космических ускорителях. Но новая работа показывает: иногда хватает и лёгких электронов.

Столкновение на огромной скорости выбило нейтрон из ядра гелия-8, и на мгновение возникло ядро гелия-7 — как перегруженная полка, с которой слетели сразу три книги. Этот мимолётный «звук» распада удалось записать впервые: три нейтрона разлетелись, оставив после себя обычное ядро гелия-4.

Гамма-всплеск — это как выстрел из космической пушки: короткая, но ослепительная вспышка, которая на несколько секунд затмевает целую галактику. Но если смотреть на неё в самый жёсткий гамма-диапазон (фотоны с энергией выше гигаэлектронвольта), то сигнал часто теряется в шуме — как тихий шёпот в шумном зале.

Двадцать восемь секунд — столько времени понадобилось автоматической камере, чтобы навестись на вспышку в созвездии, до которого свет шёл больше девяти миллиардов лет. Телескоп в чешской обсерватории Ондржейов сработал как пожарная сигнализация: едва спутник засёк гамма-всплеск, робот развернул трубу и начал фотографировать небо каждые несколько секунд.

Протон нельзя увидеть как простой шарик. Если ударить по нему фотоном, он может поглотить энергию и перейти в возбуждённое состояние — как колокол, который начинает звенеть на определённой частоте после удара. Эти состояния называют нуклонными резонансами, и они живут очень недолго, прежде чем распасться на другие частицы.

Электрон внутри молекулы ведёт себя как крошечный магнит, и его «силу» можно измерить с огромной точностью. Физики взяли молекулярный ион HD⁺ — это ядро из протона и дейтрона (тяжёлого водорода), вокруг которого кружит один-единственный электрон, — и поместили его в сильное магнитное поле 4 тесла (примерно в 80 тысяч раз сильнее земного).

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.

Нейтрон — частица без заряда, но с внутренним устройством. Как мяч, который снаружи кажется гладким, а внутри имеет сложную начинку. Учёные давно хотят понять, как распределены внутри нейтрона электрические и магнитные силы. Для этого его нужно «прощупать» — столкнуть с античастицей и посмотреть, что получится.

В детекторе коллайдера каждое столкновение протонов оставляет след из десятков частиц — как брызги от брошенного в воду камня. Разобраться в этих брызгах и понять, что именно произошло в момент удара, — задача, с которой человек уже не справляется в одиночку.

Свет падает на кремниевую пластину, и в ней рождается один-единственный электрон. Обычный прибор этого не заметит — слишком тихий сигнал. Новый детектор не просто слышит его, но и определяет энергию с точностью до 589 миллиэлектронвольт. Это как различать шаги муравья на расстоянии вытянутой руки. Внутри детектора частица выбивает электрон из атома кремния.

В Jefferson Lab электроны разгоняются до 12 ГэВ и врезаются в протоны, чтобы выпытать их секреты. Но существующие детекторы похожи на фотокамеры с узким полем зрения: либо видно много, но тускло, либо ярко, но крошечный кусочек. Электронное рассеяние — главный инструмент, но статистики не хватает для тонких эффектов.

Ночью над сибирской тайгой иногда вспыхивает слабый голубой свет. Это не северное сияние, а космический ливень: одна частица из далёкого космоса врезается в атмосферу и рассыпается на миллионы вторичных частиц. Они летят к земле широким фронтом, как волна от брошенного в воду камня, и заставляют воздух светиться. Установки «Тунка-133» и TAIGA-HiSCORE семь лет следили за такими вспышками.

В тихой гавани Местного пузыря — разреженной полости горячего газа вокруг Солнца — недавно прогремел взрыв. Сверхновая вспыхнула в десятках парсек от нас, и её эхо до сих пор гуляет по окрестностям, меняя картину космических лучей. Долгое время считалось, что поток частиц из Галактики однороден, как свет от множества далёких фонарей.

Высоко над Антарктидой воздушный шар поднял прибор, который ловил электроны из космоса. Эти частицы прилетают от далёких взрывов звёзд и других мощных событий. Прибор измерял их энергию — как силу удара. И вот в одном диапазоне энергий ударов оказалось больше, чем предсказывали расчёты. Первый анализ данных показал широкий горб на графике: будто в потоке частиц появилась лишняя струя.

В потоке космических лучей — частиц, летящих к нам из глубин Галактики, — титан встречается редко. Его ядра почти неотличимы от железа: оба тяжёлые, оба оставляют похожие следы в детекторах.