килоэлектронвольт

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.

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 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.

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).

В тёмной камере, где температура лишь на четыре градуса выше абсолютного нуля, лежит кристалл сапфира размером с рисовое зерно. Когда сквозь него пролетает нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещество, — кристалл вздрагивает и нагревается на ничтожную долю градуса. Этот тепловой отклик ловят сверхчувствительные датчики на краях кристалла.

Молекула воды похожа на крошечную гантель: два атома водорода крепятся к атому кислорода под углом. Эта гантель не стоит на месте — она растягивается, сжимается и вращается. Каждое такое движение имеет свою энергию, как ступеньки лестницы. Чтобы понять, как вода поглощает свет или участвует в химических реакциях, нужно знать высоту этих ступенек.

Поток электронов можно сравнить с пучком света от лазерной указки: если он расходится, пятно на стене быстро расплывается. В лаборатории физики сделали настолько узкий пучок, что он оставался тонким на большом расстоянии, как луч хорошей указки. Для этого они разгоняли электроны в плазменном ускорителе, где частицы подхватываются волной в ионизированном газе, а затем сжимали поток постоянным магнитом-соленоидом.

Гамма-лучи — это самые энергичные вспышки света, какие только рождаются в глубинах атомов. Их энергия — как отпечаток пальца: у каждого радиоактивного элемента свой узор. Но измерить этот узор с высокой точностью — всё равно что взвесить песчинку на весах, стоящих на грузовике с вибрацией. Новая установка работает как сверхчувствительный термометр.

Обычные сообщения можно перехватить незаметно для отправителя и получателя. Физики разработали метод создания общего секретного ключа, который разрушается при любой попытке перехвата. Носителем информации служат одиночные частицы света — фотоны.

В кювете размером с монету свет ведёт себя как вода: он собирается в единую квантовую жидкость. Когда в неё добавляют энергию, в этой жидкости сами собой закручиваются воронки — квантовые вихри. Каждый вихрь похож на крошечный водоворот, который не может исчезнуть просто так. Физики подсветили эту жидкость лазером и сделали мгновенные снимки.

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 тихой лаборатории на столе стоит прибор размером с микроволновку. Внутри него катушка плавно скользит вверх и вниз, а компьютер считывает электрические сигналы. Так выглядит настольная версия весов Ки-Блеза — устройства, которое связывает массу с квантовыми константами. Раньше такие весы занимали целую комнату и требовали команды инженеров.

Фонарь светит сквозь туман, и его свет слегка меняет цвет. По этому изменению можно понять, из чего туман состоит. Так астрономы изучают холодный газ вокруг рентгеновских источников: атомы железа в этом газе поглощают и переизлучают рентгеновские лучи на строго определённой энергии — как отпечаток пальца. Но у отпечатка есть нюанс: если у атома сорвать несколько электронов, линия сдвинется.

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.

Измеренный дипольный момент тантала-181: 3,39 × 10⁻³² e·см — как заметить смещение на один атом в масштабе Солнечной системы. В типичном атомном ядре распределение заряда сферически симметрично, подобно идеально отцентрированному волчку.

Над зеркальной гладью сверхтекучего гелия, охлаждённого до 7 милликельвинов, одиночный электрон танцует в идеальном вальсе с микроволновым фотоном.

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.

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.