лептон

В подземной лаборатории в Южной Дакоте детектор LUX-ZEPLIN, наполненный жидким ксеноном, ждёт редких столкновений. Обычно частицы тёмной материи проходят сквозь него бесследно, но однажды ядро ксенона сдвинулось с места с энергией 248 кэВ. Это слишком сильный толчок для привычных моделей, где тёмная материя лишь слегка задевает ядра.

На Большом адронном коллайдере (БАК) сталкивают протоны, и среди обломков иногда появляется частица-тяжеловес — лямбда-барион. Это барион, то есть частица, состоящая из трёх кварков, как протон или нейтрон, но содержащая более тяжёлый странный кварк. Лямбда-барион живёт крошечную долю секунды и распадается на другие частицы.

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.

Каждую секунду сквозь человеческое тело проходит незримый поток частиц — нейтрино, почти неуловимых посланцев далёких звёзд и земных реакторов. Эти частицы-призраки настолько слабо взаимодействуют с веществом, что пронзают материю, как пуля — туман. Но физики научились устраивать им засаду.

В ядерной физике давно не давала покоя загадка: почему среди элементов легче висмута только технеций (№43) и прометий (№61) не имеют ни одного стабильного изотопа — разновидности атома с тем же числом протонов, но другим числом нейтронов? Все их соседи по таблице Менделеева могут похвастаться хотя бы одним долгоживущим вариантом, а эти два словно выпадают из общей закономерности.

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.

Весы, способные взвесить невидимое, — именно так работает отношение распадов лёгких мезонов (пиона и каона) на электроны и мюоны. Если природа подчиняется одним и тем же правилам для всех поколений частиц, чаши этих весов показывают строго определённое число. Но стоит где-то затаиться неизвестной силе — стрелка дрогнет.

Нейтрино напоминают невидимых танцоров, которые в полёте меняют маски. Три типа этих частиц — электронное, мюонное и тау-нейтрино — постоянно переходят друг в друга. Этот танец описывается сложной матрицей смешивания, и физики давно пытаются разложить её на простые движения. Авторы новой работы пересобрали одно из таких разложений — TM1 — с помощью формализма «вкусового спина».

Луна — безвоздушный шар из плотной каменной крошки, которую называют реголитом. Когда из космоса в неё врезаются быстрые частицы, в грунте рождаются мюоны — нестабильные родственники электронов, только в двести раз тяжелее. Большинство летит вниз и гаснет в толще. Но те, что выскакивают вверх, в вакуум, успевают пролететь десятки километров, прежде чем распасться.

Тау-лептон — короткоживущая частица, тяжёлый родственник электрона. Когда он распадается, внутри него кварки обмениваются глюонами, словно игроки в закрытой комнате перебрасываются мячом. Самих бросков не видно, заметен только конечный счёт — два пиона, разлетающихся под определёнными углами.

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.

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.

Электронные облака вокруг атомных ядер можно представить как пушистые шубы: они не дают ядрам сблизиться для слияния. Но замените лёгкий электрон на мюон — тяжёлый аналог электрона из стандартной модели элементарных частиц, — и картина меняется. Мюон формирует компактную «шубу», сжимая электронное облако почти в 200 раз.

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.

Шумный вокзал в час пик. Тысячи людей спешат, голоса сливаются в гул. И где-то в этой толпе два человека пытаются пожать друг другу руки особым, едва заметным жестом. Заметить такое рукопожатие почти невозможно.

Фейерверк вспыхивает, и одна точка рассыпается сразу четырьмя искрами. Похоже ведёт себя Z-бозон — частица, переносящая слабое взаимодействие, — когда распадается на четыре заряженных лептона (электроны или мюоны). Процесс крайне редкий: на миллион рождений Z-бозона приходится лишь около пяти таких событий.

В первые мгновения после Большого взрыва материя и антиматерия должны были родиться поровну. Но сегодня мы видим только материю — звёзды, планеты, нас самих. Куда делась антиматерия? Одна из разгадок прячется в почти неуловимых частицах — правых нейтрино. Обычно считается, что они, распадаясь, создают лёгкий перекос в пользу материи.

В самом начале, спустя мгновения после Большого взрыва, Вселенная была устроена до смешного симметрично: частиц и античастиц — поровну. Но случился перекос, крошечный, как одна лишняя песчинка на килограмм сахара, и весь привычный нам мир — звёзды, планеты, люди — возник из этого избытка. Как именно природа устроила этот перевес, до сих пор загадка.

В рамках Стандартной модели — нашего наиболее полного описания субатомного мира — электрический заряд всегда кратен заряду электрона: природа оперирует целыми единицами, словно строитель, использующий кирпичи строго определённого размера. Однако уравнения допускают существование частиц с двойным зарядом — билептонов.

Три гирьки необычной формы лежат на столе. Их точный вес неизвестен, но стоит положить их на чашечные весы в определённой комбинации — и стрелка всегда указывает на одно и то же магическое число. Примерно так выглядит загадка, которую физики называют соотношением Коидэ для трёх заряженных лептонов: электрона, мюона и тау-частицы.

Два крошечных волчка разлетаются после удара. Их вращение не задано заранее — оно становится определённым только в момент измерения. Это и есть квантовая запутанность: состояние одного волчка мгновенно отзывается на состояние другого, как бы далеко они ни находились.

Чтобы измерить истинный размер протона, физики заменили электрон в атоме водорода на его тяжёлую копию — мюон, частицу того же семейства лептонов, но в 207 раз массивнее. Мюон, словно лупа с тысячекратным приближением, подходит к ядру вплотную и «ощупывает» протон с недоступной ранее точностью.

Огромный шар, заполненный жидкостью, вспыхивает, когда через неё пролетает неуловимая частица — нейтрино. Внутри шара, как светлячки на ёлке, висят тысячи трубок, ловящих эти вспышки. Чтобы точно сказать, где именно блеснуло и сколько энергии прилетело, нужно знать положение каждой трубки до миллиметра.

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.

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.

Мюон похож на электрон, только в 200 раз тяжелее и живёт две миллионные доли секунды. Его магнитный момент — то, как частица откликается на магнитное поле, — измерен с фантастической точностью. Но измеренное значение чуть-чуть больше, чем предсказывает теория. Разница крошечная, как если бы, пересчитывая сдачу в магазине, вы находили лишнюю копейку каждый раз.

Глубоко под Апеннинскими горами, в чане с тремя тоннами жидкого ксенона, раз в несколько дней что-то едва заметно вздрагивает. Это солнечное нейтрино — частица-призрак, рождённая в термоядерном пекле Солнца, — пролетела 150 миллионов километров сквозь пустоту и горную породу, чтобы наконец столкнуться с ядром ксенона.

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 ускорителе под Пекином сталкивают электроны с позитронами — и на миг рождаются частицы, которых в обычном веществе не встретить. Одна из них — лямбда-си-плюс: внутри неё сидит тяжёлый очарованный кварк, как камень в рогатке. Теперь физики впервые увидели, как эта частица разваливается на нейтрон, положительный пион и эта-мезон.

Когда нейтрон или протон влетает в атомное ядро, он ведёт себя как мяч, ударяющийся о неровную стену: отскочить может по-разному, в зависимости от того, куда попал. Физики описывают такие столкновения с помощью «оптической модели» — она заменяет сложное ядро на эффективный потенциал, как если бы мы описывали стену одной средней высотой, а не каждой выемкой.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой квантовый вакуум, где спонтанно рождались и почти сразу аннигилировали пары частиц и античастиц — виртуальных «гостей» из физического ничто.

Тау-лептон — тяжёлый родственник электрона, который живёт меньше триллионной доли секунды. Обычно он распадается на более лёгкие частицы, но никогда — сразу на три мюона: такой переход запрещён известными законами физики частиц. Если бы он произошёл, это означало бы, что в природе действуют неизвестные силы.

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.

В ускорителе сталкиваются электрон и позитрон — и на миг рождается частица, которая живёт меньше миллиардной доли секунды. Её распад похож на взрыв крошечной петарды: осколки разлетаются в разные стороны, а по их траекториям физики восстанавливают, что было внутри. В эксперименте BESIII так распадался D0-мезон — частица с очарованным кварком.

Протон — не цельный шарик. Внутри него кипит смесь из кварков и глюонов. Глюоны — это частицы, которые склеивают кварки, как клей склеивает деревяшки. Вопрос: сколько «веса» протона приходится на этот клей? Физики посчитали это на компьютере, разложив пространство и время на мелкую сетку. Стандартная модель описывает, как кварки и глюоны взаимодействуют.

Внутри ускорителя частицы сталкиваются, и на короткий миг рождается B-мезон — тяжёлая частица, живущая меньше миллиардной доли секунды. Обычно она распадается на множество осколков, но иногда превращается всего в две частицы: мюон и нейтрино. Этот редкий путь похож на лотерею, где выигрышный билет выпадает один раз на два миллиона тиражей.

В ускорителе частиц анти-лямбда-частица — редкий гость. Она рождается на лету, живёт крошечную долю секунды и обычно распадается сама. Но иногда успевает врезаться в обычный протон — и тогда рождается целый сноп лёгких частиц: каоны, пионы. Такие столкновения впервые разглядели в детекторе BESIII на ускорителе BEPCII в Пекине.

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.

Кристалл оксида магния похож на строй солдат: атомы стоят ровными рядами, и по ним бежит электрон. Но стоит электрону задержаться, как ближайшие атомы слегка сдвигаются с мест — словно соседи по шеренге поворачивают головы. Электрон оказывается в ямке из смещённых атомов и уже не может двигаться свободно.