адрон

Нейтрино — почти неуловимые частицы-призраки, которые проходят сквозь Землю, не замечая её, потому что почти не взаимодействуют с веществом. Но иногда одна из них врезается в атомное ядро воды, и тогда рождается целый сноп частиц: мюоны, протоны, пионы. Поймать этот момент — всё равно что сфотографировать пулю, попавшую в яблоко, с расстояния в километр.

Внутри атомного ядра протоны и нейтроны не лежат на месте, как горошины в банке. Каждая частица занимает свою орбиту — область пространства, где её можно обнаружить. Чем больше орбита, тем «размазаннее» частица. Учёные измерили размеры таких орбит в ядрах кальция и скандия: они выбивали частицы из ядра и смотрели, с каким импульсом те вылетают. Метод похож на игру в бильярд.

Нейтронная звезда — это компактный остаток массивной звезды после вспышки сверхновой. Вещество в ней сжато до ядерной плотности: чайная ложка такого материала весила бы как гора. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны упакованы вплотную, и при колоссальном давлении могут рождаться гипероны — барионы, содержащие странный кварк.

Когда протон разбивают на части в ускорителе, из него вылетают кварки и глюоны — фундаментальные частицы, из которых состоит материя. Но свободными их не увидеть: почти сразу они слипаются в новые частицы — адроны, как капли ртути собираются в шарики.

Кварки — фундаментальные строительные блоки протонов и нейтронов — обычно собираются в пары (мезоны) или тройки (барионы). Но иногда они образуют более крупные и нестабильные комбинации, которые живут крошечные доли секунды. Две такие частицы, Bs0* и Bs1, долго оставались загадкой: расчёты намекали, что они должны быть связанными состояниями, но точность не позволяла сказать это уверенно.

На ускорителе в лаборатории Джефферсона пучок фотонов — квантов света — бьёт по протонам, и из столкновений рождаются короткоживущие частицы — омега-мезоны. Они живут меньше миллиардной доли секунды, но успевают рассказать о том, как устроены силы внутри атомного ядра. Физики зафиксировали, под какими углами разлетаются эти мезоны и как они закручены — словно волчок, запущенный в разные стороны.

В тесной шеренге атомов, замерших на расстоянии меньше длины световой волны, прячется удивительное состояние. Возбуждение распределено по всем частицам так, что их излучение гасит само себя — это субизлучательное состояние, коллективная квантовая «тишина».

В атомном ядре протоны и нейтроны упакованы так плотно, что между ними действуют силы, напоминающие туго натянутые пружины. Одни пружины сжимаются и разжимаются одинаково во все стороны — это привычные центральные силы. Другие, тензорные, ведут себя хитрее: их натяжение зависит от того, как повёрнуты частицы друг относительно друга.

Протон — не цельный шарик, а крохотная тюрьма. Внутри неё заперты три кварка, и вырваться им не даёт глюонное поле — что-то вроде невидимых нитей, которые становятся только крепче, если кварки пытаются разойтись.

Протон — не монолитный шарик. Это бурлящее облако из кварков и глюонов, которые постоянно рождаются и исчезают. Описать такую картину помогают функции распределения партонов — они показывают, с какой вероятностью внутри протона встретится кварк или глюон с определённой энергией.

Горсть песка в кулаке: песчинки упираются друг в друга, и дальше рука не сжимается. Обычное вещество ведёт себя похоже. Но в нейтронной звезде сжатие в миллиарды раз сильнее — атомы раздавлены, электроны вжаты в протоны, и почти всё пространство заполнено нейтронами. Однако это не просто плотная упаковка шариков.

Вода в стакане кажется сплошной, но состоит из молекул. Примерно так же физики долго описывали вещество внутри нейтронной звезды — как однородный суп из протонов и нейтронов. Но настоящие нейтронные звёзды не суп. Это тесная толпа частиц, где каждый нейтрон чувствует соседа. Авторы новой работы отказались от однородной картины. Они взяли за основу необычный инструмент — голографию.

В июне 2024 года радиотелескоп CHIME зарегистрировал от источника FRB 20240114A более 700 радиовсплесков в час. Такой гипер-активный репитер за час выплёскивает почти всю магнитную энергию обычного магнетара (нейтронная звезда со сверхсильным полем).

Нейтронная звезда — это город, стиснутый до размеров мегаполиса, где материя уплотнена до предела. В самом центре такого города может начаться перестройка: привычные нейтроны и протоны уступают место кварковой плазме — свободным кваркам, из которых состоит почти всё вокруг.

В микромире сильного взаимодействия — самого мощного клея природы — кварки никогда не гуляют в одиночку. На больших расстояниях они слипаются в знакомые нам протоны и нейтроны. Но при экстремальном сжатии, как в недрах нейтронной звезды, этот клей создаёт куда более причудливые формы материи.

На ускорителях, сталкивая тяжёлые ядра, физики ненадолго создают кварк-глюонную плазму — состояние вещества, где кварки и глюоны не заперты внутри частиц, а свободны. Долгое время её представляли газом, но эксперименты показали: это почти идеальная жидкость. Частицы в ней движутся согласованно, как молекулы в мёде.

Внутри нейтронной звезды материю сдавливают так, что атомные ядра перестают быть отдельными комочками. Нейтроны и протоны приближаются друг к другу, и их внутренности — кварки — начинают чувствовать соседей сквозь стенки своих «мешков». Нейтронная звезда — это шар радиусом с небольшой город, но массой как полтора Солнца. Чайная ложка её вещества весит миллиарды тонн.

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.

Раскалённый газ осаждается на подложку, слой за слоем наращивая прозрачную плёнку. Но вместо идеального зеркала поверхность иногда покрывается крошечными бугорками — как ледяные наросты на стекле в сильный мороз. Обычно их стараются убрать, потому что они мешают делать ровные детали. Физики из Оксфорда и их коллеги поступили иначе: посмотрели, что у бугорков внутри.

Крошечные невидимые пули прошивают Солнце насквозь, почти не замечая его вещества. Это аксионы — гипотетические частицы, настолько лёгкие и неуловимые, что их сравнивают с призраками.

В мире элементарных частиц есть давняя загадка: почему массы электрона, мюона и тау-частицы так сильно различаются? И почему кварки — кирпичики протонов и нейтронов — тоже разделены на три поколения с резким скачком масс? Авторы статьи предлагают посмотреть на эту иерархию как на лестницу, ступени которой высечены не из дерева, а из чисел особой алгебры.

Две нейтронные звезды — остатки погибших светил, сжатые до размеров города, но весом с целое Солнце — кружатся друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. В этот миг рождается нечто среднее между чёрной дырой и сверхмощным магнитом: поле в миллиарды раз сильнее, чем в самом мощном магнитно-резонансном томографе.

Капля жирных сливок в стакане молока. Если взболтать, жир не размажется равномерно — он соберётся в более плотные сгустки, которые движутся иначе, чем остальная жидкость. Примерно так же ведут себя кварки внутри мезонов — крошечных частиц, живущих ничтожные доли секунды. Мезон состоит из кварка и антикварка, и они редко бывают равноправны.

На первый взгляд атомное ядро — это тесная коммуналка, где протоны и нейтроны (их вместе называют нуклонами) живут по строгим правилам. Каждый занимает свою орбиту, как электроны в атоме, и в среднем всё выглядит упорядоченно.

Бассейн с чистейшей водой, в который изредка падают крошечные, почти невидимые капли. Каждая оставляет едва заметный всплеск, и чтобы его зафиксировать, нужны годы терпения. Именно так выглядит охота за солнечными нейтрино в детекторе DEAP-3600 — огромном резервуаре с жидким аргоном, спрятанном глубоко под землёй.

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

Щепотка соли падает в воду, и ионы натрия с хлором разбегаются в стороны, окружённые молекулами воды. А теперь вместо иона в молекулярную компанию попадает позитрон — античастица, близнец электрона, только с плюсом вместо минуса.

Жонглёр подбрасывает булавы, сидя на вращающемся стуле. Если он начнёт крутить булавы все в одну сторону, стул поедет в противоположную — иначе нарушится закон сохранения вращения. Примерно так устроен эффект Эйнштейна — де Хааза: в куске железа магнитное поле выстраивает микроскопические магнитики-спины, и весь кусок чуть поворачивается.

Атомное ядро — не бильярдный шар, а скорее туманное облако, которое постоянно меняет очертания. Протоны и нейтроны внутри него находятся в непрерывном движении, и ядро может принимать самые разные формы: быть вытянутым, сплюснутым или похожим на грушу.

Атомное ядро — не монолитный шарик, а плотный рой крошечных частиц, кварков, склеенных особым клеем (сильным взаимодействием). В лёгких ядрах, вроде кальция, этот рой устроен просто: число двух сортов кварков — верхних и нижних — почти одинаково, как число белых и чёрных клавиш в октаве.

Если попробовать разломить протон и вытащить из него кварк, вас ждёт сюрприз. Обычные силы, вроде электрической, слабеют, когда частицы разлетаются. А здесь — наоборот. Чем дальше кварк от своих соседей, тем сильнее его тянут обратно.

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.

Два потока машин сталкиваются на перекрёстке. В первые мгновения после удара обломки разлетаются не как попало, а так, будто их на миг окутало общее облако. Примерно это увидели физики на Большом адронном коллайдере, когда протоны врезались друг в друга на огромной скорости.

В огромном ускорителе частицы врезаются друг в друга, и иногда после удара остаются только два фотона — частицы света. Физики умеют предсказывать, как часто это происходит, но их расчёты долго не сходились с тем, что видели детекторы. Каждое уточнение теории меняло ответ, и согласия не было. Авторы новой работы сделали ещё один шаг в точности — добавили в расчёт следующий уровень поправок.

Тяжёлые частицы, которые физики называют барионами, похожи на крошечные семьи из трёх кварков. Обычные барионы — это протоны и нейтроны, из которых состоит всё вокруг. Но есть и экзотические родственники: в них вместо лёгких кварков живут очарованные или прелестные кварки — тяжёлые и недолговечные.

Кварки — крошечные кирпичики, из которых собраны протоны и нейтроны. Обычно они держатся парами: частица и её зеркальный двойник-античастица. Но иногда кварки образуют более причудливые комбинации, которые физики называют экзотическими. Одну из таких комбинаций — частицу π1(1600) — впервые увидели в распаде очарованного мезона χc1 на детекторе BESIII в Пекине.

Протон кажется цельным шариком, но внутри у него кипит жизнь: кварки обмениваются глюонами — частицами, которые их склеивают. Глюоны то появляются, то исчезают, и их распределение по протону — не просто любопытная деталь, а ключ к предсказаниям на Большом адронном коллайдере.

Столкновение частиц на огромной скорости рождает целый ливень новых частиц. Среди них — антипротоны, близнецы обычных протонов, только с противоположным зарядом. У каждой такой частицы есть собственное вращение, как у теннисного мяча, посланного с подкруткой. Но закручены ли антипротоны при рождении — до сих пор никто не проверял.

Если положить каон в электрическое поле, он слегка растянется, как воздушный шарик, который потёрли о шерсть. Этот отклик — электрическая поляризуемость — показывает, насколько жёстко устроена частица внутри. Для заряженного каона её измерили впервые, и число получилось таким: около одной десятитысячной доли объёма, занимаемого протоном.

Если ядро атома — это семья, то в доме обычного гелия живут два протона и два нейтрона, крепко держась за руки. А теперь представьте, что один из членов семьи — чудак, который любит гулять далеко от дома.