нарушение лептонного аромата

Нейтрино — это элементарные частицы, которые каждую секунду миллиардами проходят сквозь наши тела, не задевая ни одного атома: они почти не взаимодействуют с веществом. У них есть загадочное свойство: по пути от Солнца или ускорителя они могут менять свой тип, или «аромат», — например, из электронного нейтрино превращаться в мюонное.

Сверхчувствительные весы пытаются уловить разницу между двумя почти одинаковыми песчинками. Одна из них — идеальное отражение другой, как в зеркале. В мире элементарных частиц такое зеркальное отражение называют P-чётностью — фундаментальной симметрией, которая, как выяснилось, нарушается в слабых взаимодействиях.

В первые мгновения после Большого взрыва вещество и антивещество были почти в равных долях. Но что-то нарушило равновесие, и в итоге остался лишь крошечный избыток обычных частиц — тот самый, из которого сложены звёзды, планеты и мы сами.

Ранняя Вселенная напоминает кипящий котёл, где частицы и античастицы рождаются и аннигилируют в равных долях. Но сегодня вокруг нас только материя — звёзды, планеты, мы сами. Как крошечный перевес в одну миллиардную долю возник из первоначального равенства? Один из ответов прячется в колебаниях тяжёлого поля, похожего на скалу, которую прилив то заливает, то обнажает.

Массивная звезда исчерпывает топливо — и её ядро схлопывается за доли секунды. Рождается сверхновая, а вместе с ней — короткий, но мощный ливень нейтрино. Эти частицы почти не взаимодействуют с веществом, поэтому свободно улетают, неся информацию о катастрофе.

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».

Когда звезда-исполин схлопывается в сверхновую или два нейтронных шара сливаются в космическом танце, триллионы нейтрино уносят энергию катаклизма.

В 2021 году обсерватория LHAASO зарегистрировала гамма-кванты с энергией свыше петаэлектронвольта от источников вроде Крабовидной туманности — остатка взрыва сверхновой, в центре которой пульсирует нейтронная звезда.

В недрах нейтронной звезды — остатка взорвавшегося светила — вещество сжато так, что чайная ложка весит миллиарды тонн. Среди этой сверхплотной материи, возможно, действует особая разновидность сил — та, что касается только мюонных и тау-нейтрино. Такая сила предсказана некоторыми расширениями Стандартной модели физики частиц.

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.

Вселенная не просто расширяется — она звучит. После Большого взрыва в её ткани остались натянутые струны — тонкие, как протон, но тяжёлые, словно горный хребет. Их колебания рождают гравитационные волны, и в этом излучении, как в нотной записи, зашифрована история фундаментальных симметрий.

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.

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.

Магнит с одним полюсом — северным, но без южного. Разломите его пополам — и вместо двух обычных магнитов вы получите два таких же однополюсных. В нашем мире подобных частиц пока не нашли, хотя многие теории предсказывают их существование. Эти гипотетические объекты называют магнитными монополями. Авторы работы заметили любопытную связь.

Два почти одинаковых маятника запускают одновременно. Один затухает быстро, другой колеблется долго. В какой-то момент их движения накладываются друг на друга — и в общей картине проступает тонкий сдвиг, незаметный по отдельности.

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

Когда массивная звезда умирает, её ядро схлопывается, и рождается нейтринный шторм. Эти частицы-призраки вылетают наружу и по дороге меняют свой сорт, как хамелеон меняет цвет. Такой танец вкусов может подтолкнуть взрыв или, наоборот, приглушить его. Но у этого танца есть хореограф — перепады плотности вещества.

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.

В детекторе LHCb, словно в гигантской камере с миллиардами «снимков», ловят редкие события: как короткоживущие частицы — B-мезоны — разваливаются на более лёгкие. Один из таких распадов, когда B-мезон превращается в каон и пару мюонов, особенно интересен. В нём, как в зеркале, может проявиться разница между материей и антиматерией.

Две команды радиотелескопов навели антенны на два облака газа: одно — в самом центре Млечного Пути, другое — в его спокойных окраинах. В обоих облаках есть молекулы метанола — это спирт, который в космосе работает как крошечный маятник: он поглощает и излучает радиоволны на строго определённых частотах. Эти частоты зависят от того, насколько протон тяжелее электрона.

Солнце не просто светит — оно непрерывно испускает потоки мельчайших частиц, нейтрино. Они рождаются в термоядерных реакциях в ядре и проходят сквозь звезду почти беспрепятственно. Но внутри Солнца есть магнитные поля, и они способны влиять на эти частицы, словно невидимые коридоры, которые слегка поворачивают их путь.

Белковая языковая модель — это как повар, который учился по тысячам рецептов и теперь сочиняет новые блюда. Иногда он увлекается и сыплет соль в каждое блюдо, потому что в одной удачной книге её было много. В белках такое повторение — не просто некрасиво: одинаковые куски цепочки делают белок хрупким, он не может свернуться в нужную форму и не работает.

Мюон — тяжёлый брат электрона, который живёт всего две миллионные доли секунды. В магнитном поле он крутится, как волчок, но чуть быстрее, чем предсказывают формулы. Двадцать лет назад в Брукхейвене это «чуть быстрее» заметили, и с тех пор физики спорили: то ли приборы врут, то ли в пустоте прячутся неведомые частицы.

Космос наполнен невидимой тёмной материей — гипотетической формой материи, которая выдаёт себя лишь гравитационным воздействием на видимые объекты.

Наше Солнце — мощнейший природный источник нейтрино, частиц-призраков, которые почти не взаимодействуют с веществом. Проходя сквозь плотное солнечное вещество, эти частицы испытывают осцилляции — меняют свой тип, или, на языке физиков, «аромат» (электронное, мюонное, тау-нейтрино). Представьте голос, проходящий сквозь толпу: чем плотнее окружение, тем сильнее искажение тембра.

Предсказанные Вольфгангом Паули и названные Энрико Ферми, нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом. Внутри умирающих гигантов — сверхновых — и сливающихся нейтронных звёзд их рождается немыслимое множество.

В 2016 году детектор LHCb на Большом адронном коллайдере записал миллионы протон-протонных столкновений. Среди обломков этих столкновений рождались нейтральные B-мезоны — частицы, которые могут самопроизвольно превращаться в свои античастицы и обратно. Чтобы измерить это превращение, физикам нужно знать, кем была частица в момент рождения: материей или антиматерией.