Катрин

Представьте комнату, где одновременно разговаривают сотни людей, а вы пытаетесь услышать, как падает иголка. Именно так физики из коллаборации PandaX-4T слушали тишину внутри 3,7 тонн жидкого ксенона. Их «иголка» — безнейтринный четверной бета-распад ксенона-136, событие настолько редкое, что за год в килограмме вещества распался бы меньше одного атома.

Шар из алюминия диаметром с большой глобус стоит в пучке нейтронов и отвечает на каждый удар точной нотой. Внутри шара нет ничего, кроме азота и одиннадцати крошечных стальных шариков, каждый размером с булавочную головку. Когда нейтрон влетает в шар, он выбивает из атома азота частицу, и этот толчок превращается в электрический сигнал.

В антарктическом льду спрятан детектор размером с кубический километр. Он ловит не свет, а призрачные частицы — нейтрино, которые почти не взаимодействуют с веществом. Но иногда в нём может мелькнуть совсем другой зверь: пара мюонов, которые рождаются вместе и разлетаются широким веером. Такой узор не нарисовать ни одной известной частицей из обычной материи.

Измерять расстояния во Вселенной — задача не из лёгких. Почти все способы опираются на свет, а он по дороге к нам может поглощаться пылью, рассеиваться или искажаться. Это всё равно что пытаться разглядеть далёкий маяк сквозь туман и дымку. Нейтрино — совсем другое дело. Эти частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом, проходят сквозь что угодно, не замечая преград.

Высоко в горах, где воздух прозрачен и тих, физики готовятся ловить неуловимых гостей из космоса — нейтрино, частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом. Эти лептоны, словно призраки, проходят сквозь Землю, почти не оставляя следов. Но иногда нейтрино всё же врезается в атом, рождая ливень частиц, который можно зарегистрировать.

Солнечные нейтрино — крошечные частицы, рождающиеся в недрах Солнца каждую секунду триллионами. Они проходят сквозь Землю, почти не замечая её, и долгое время считались абсолютно стабильными. Но, возможно, и они способны «стареть» — незаметно распадаться, исчезая по пути к нам. Проверить это взялись физики, работающие с детекторами тёмной материи.

В 1998 году физики поймали нейтрино на удивительном: частица меняет свой тип на лету. Такое возможно, только если у неё есть масса. Это стало единственным лабораторным доказательством физики за пределами Стандартной модели. Но сколько именно весит нейтрино — до сих пор загадка.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая лаборатория, где вещество сжато до немыслимых плотностей. В первые мгновения после слияния рождается горячее облако, которое остывает, испуская нейтрино. Эти частицы-невидимки уносят энергию и диктуют, сколько вещества будет выброшено в космос и какие тяжёлые элементы синтезируются.

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.

В глубине океана, куда не доходит свет, рождается план поимки частиц, которые почти ни с чем не взаимодействуют. Геонейтрино — крошечные посланцы из раскалённой мантии — вылетают при распаде урана и тория. Их поток несёт информацию о том, сколько тепла скрыто под нашими ногами.

Солнце — гигантский ядерный реактор, который непрерывно шлёт нам свет и тепло. Но есть у него и другая, почти беззвучная почта: каждую секунду сквозь квадратный сантиметр вашей ладони пролетают десятки миллиардов нейтрино — частиц-призраков, рождённых в термоядерном горниле. Большинство из них не оставляют и следа.

Солнце — не просто источник света, а гигантская лаборатория, где рождаются частицы-призраки. Каждую секунду сквозь ваше тело пролетают миллиарды нейтрино, почти не замечая вас. Но внутри Солнца эти частицы ведут себя иначе: они меняют свой тип на лету, словно актёр, играющий три роли в одной пьесе. Нейтрино бывают трёх сортов — электронные, мюонные и тау-нейтрино.

Если сжать обычный кусок металла, он нагреется — это знают даже те, кто накачивал велосипедное колесо. Но что будет, если сжать магнит, в котором атомные стрелки отказываются замирать даже при абсолютном нуле?

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой кипящий суп из элементарных частиц. Даже нейтрино — легчайшие частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом — тогда активно сталкивались со всем подряд.

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.

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.

Скорость света в вакууме — фундаментальный метроном физики, задающий темп всем процессам во Вселенной. Малейший сбой этого ритма способен разрушить привычную гармонию законов природы.

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.

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.

Весы с одинаковыми гирьками, но одна чаша всегда перевешивает. В мире элементарных частиц такой перевес называют нарушением CP-симметрии: частицы и их зеркальные двойники (античастицы) ведут себя чуть-чуть по-разному. Именно этот перекос, как считают физики, позволил материи выжить после Большого взрыва, когда материя и антиматерия должны были аннигилировать друг друга.

При столкновении тяжелых ядер на ускорителях рождается множество частиц, и физики хотят понять, как в этом хаосе перемещается электрический заряд. Два поезда врезаются друг в друга: пассажиры (кварки) разлетаются, но их багаж (заряд) может оказаться далеко от места крушения.

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.

Глубоко под ногами, в толще планеты, идёт медленный распад радиоактивных элементов. При этом рождаются крошечные частицы — геонейтрино. Они проходят сквозь земную кору, мантию и ядро, почти ни с чем не взаимодействуя. Но если поймать хотя бы несколько таких частиц, можно узнать, из чего именно сложены недра Земли — сколько там калия, урана или тория. Это как слушать шёпот из глубин.

Квантовая точка — это ловушка для электронов размером с несколько атомов, где частица ведёт себя как шарик в крошечной коробке. Если поставить рядом две такие коробки, электроны могут перепрыгивать между ними, и система становится похожа на пару сообщающихся сосудов.

Радиоактивный тритий распадается, и из него вылетает электрон. Его энергия почти всегда одинакова, но иногда — чуть-чуть меньше. Этот «недобор» может означать, что вместе с обычным нейтрино родилась другая, скрытая частица. Стандартная модель описывает три типа нейтрино, но учёные подозревают, что есть и четвёртый — стерильный.

Каон — частица-долгожитель по меркам микромира: живёт миллиардные доли секунды, прежде чем развалиться на более лёгкие частицы. В эксперименте KOTO в Японии ловят самые редкие варианты такого распада. Один из них — когда каон превращается в два нейтральных пиона и ещё одну частицу X, которая тут же распадается на два фотона (частицы света).

Крошечная частица-призрак пролетает сквозь кусок германия. Обычно она не оставляет следов, но иногда, как бильярдный шар, ударяет по ядру атома. Ядро отскакивает, и этот толчок можно заметить. В Ок-Ридже, в национальной лаборатории, детектор Ge-Mini ловил такие отскоки два года. Нейтрино — самые неуловимые из известных частиц.

Нейтрино — крошечные частицы, которые пролетают сквозь Землю, почти не замечая её. В эксперименте MicroBooNE их ловят в баке с жидким аргоном. Когда нейтрино сталкивается с ядром аргона, рождаются электрон и протоны — как брызги от брошенного в воду камня. Учёные измерили, куда и с какой энергией летят эти частицы.

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.

Титан, крупнейший спутник Сатурна, окутан плотной оранжевой дымкой. Она состоит из углеводородов и других органических молекул, которые рождаются, когда солнечный свет расщепляет метан и азот в верхних слоях атмосферы. Химики называют такой процесс фотохимией — свет работает как невидимый повар, собирающий из простых ингредиентов всё более сложные блюда.

Нейтрино — частицы-призраки. Они проходят сквозь Землю, почти не замечая её. Чтобы поймать хотя бы одно, строят огромные детекторы. В эксперименте NOvA такой детектор расположен в штате Миннесота. За годы работы он накопил около миллиона взаимодействий мюонных антинейтрино. Это как поймать миллион песчинок, летящих сквозь сито размером с дом.

В толще антарктического льда, на глубине, где не бывает солнечного света, висят антенны. Они слушают не звуки, а радиоволны — и ждут сигнала от частицы, которую почти невозможно поймать. Нейтрино пролетает сквозь Землю, как пуля сквозь туман, но иногда, очень редко, задевает атом льда. Тогда рождается короткий радиовсплеск — и антенны его записывают.

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.

Антипротон — это зеркальный двойник протона: та же масса, но отрицательный заряд. Когда он приближается к ядру атома, частицы могут аннигилировать, превращаясь в излучение. В эксперименте PUMA в ЦЕРНе изучают, как антипротоны захватываются ядрами и образуют экзотические атомы, похожие на водород, но с антипротоном вместо электрона.

В 1930-е годы Вольфганг Паули осознал: без крохотных частиц-призраков энергетический баланс звёзд не сходится. Так в физику вошли нейтрино — почти не взаимодействующие с веществом странники, пронизывающие всё вокруг. Чтобы объяснить их способность превращаться друг в друга (осцилляции), нейтрино должны обладать ненулевой массой.

В огромном спектрометре в Карлсруэ, похожем на гигантскую металлическую бочку, ловят частицы, которые почти невозможно поймать. Нейтрино — призраки микромира: каждую секунду сквозь ваше тело пролетают триллионы этих частиц, и вы этого не замечаете. Но у них есть масса, и учёные хотят её измерить. Для этого в KATRIN используют радиоактивный газ тритий.

Электрон вылетает из ядра трития с энергией 18,57 кэВ, оставляя после себя невидимого партнёра — нейтрино. Если у этого нейтрино есть доступ в пятое измерение, его масса расщепляется на целую башню состояний, и каждое из них отщипывает от спектра свой кусочек.

Высоко над Землёй летит спутник, а внутри него — прибор размером с небольшой шкаф. Он ловит частицы, которые миллиарды лет мчались сквозь галактику и наконец врезались в детектор. Такие частицы называют космическими лучами, и они приносят вести о далёких взрывах звёзд. Прибор NUCLEON на спутнике «Ресурс-П» полгода собирал эти «письма из космоса».

Воздушный шар ATIC поднялся над Антарктидой и поймал частицы, которые старше самой Земли. Среди них — ядра атомов от серы до хрома, и чем выше их энергия, тем больше их доля по сравнению с железом. Стандартная модель «дырявого ящика» предсказывала обратное: тяжёлые ядра должны были растворяться, как соль в воде. Но данные упрямо росли.

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.