LHCb

Пучок антипротонов врезается в пластину, и каждый удар рассыпается снопом заряженных частиц. В эксперименте GBAR в ЦЕРН такую картину наблюдают не сложным детектором, а обычной промышленной камерой без объектива, прижатой к вакуумному окну снаружи.

Два танцора на одной сцене повторяют движения друг друга, даже когда их разделяет занавес. В квантовом мире такие пары называют запутанными, и физики уже полвека проверяют, насколько далеко простирается эта связь. До сих пор все тесты с массивными частицами касались их внутренних свойств, например спина, но не самого движения.

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.

Реликтовое излучение — окаменевший свет первых мгновений. Вскоре после Большого взрыва микроскопические квантовые флуктуации были растянуты инфляцией до масштабов галактических сверхскоплений. Эта рябь сегодня проступает в реликтовом фоне узором температурных пятен.

В конце 1990-х звёздное небо преподнесло сюрприз: Сол Перлмуттер и Адам Рисс обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. С тех пор главной загадкой остаётся тёмная энергия — субстанция, составляющая почти 70% космоса, но ускользающая от лабораторного изучения.

Всё началось не с пустоты, а с кипящего океана плазмы. В этом первозданном бульоне звуковые волны бежали сквозь огненную материю, сталкивались и уплотняли её. Иногда сгусток становился настолько плотным, что свет уже не мог вырваться — и прямо из раскалённого газа рождалась первичная чёрная дыра.

В глубине детектора Большого адронного коллайдера сталкиваются протоны, и на короткий миг рождается нечто тяжёлое. Оно мгновенно рассыпается на два бозона Хиггса — частицы, которые, как матрёшки, скрывают в себе ещё по две пары b-кварков.

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.

Камень, брошенный в воду, оставляет круги. Спутник, летящий вокруг Земли, тоже оставляет след — только не на воде, а в законах физики. Его орбита не застывшая линия: она медленно поворачивается, как стрелка гигантских часов. Часть этого вращения объяснима привычной гравитацией, но появляется всё больше намёков, что в дело вмешивается кто-то ещё — невидимый и вездесущий.

Чёрные дыры известны в двух крайних проявлениях: объекты звёздных масс — финал эволюции массивных светил, и сверхмассивные гиганты, царящие в центрах галактик. Промежуточное звено — чёрные дыры средней массы — долго ускользало от наблюдателей.

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.

Загадка пропавшего антивещества не даёт покоя физике с середины XX века. Большой взрыв должен был создать равные количества материи и антиматерии, но сегодняшний мир почти полностью вещественный. Стандартная модель бессильна объяснить эту барионную асимметрию — нужны новые частицы и механизмы за её пределами.

Двое часов показывают разное время. Одни стоят у нас на столе, другие — далеко в прошлом, в свечении, оставшемся после Большого взрыва. Первые, глядя на близкие галактики, отсчитывают скорость расширения Вселенной — около 73 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния. Вторые, вглядываясь в древний свет, дают заметно меньше — примерно 67.

Монета падает ребром — примерно так же редко тяжёлый B-мезон распадается на лёгкий пион и пару электрон-позитрон. За десятилетие работы коллайдера таких событий набралась лишь горстка, но физики наконец смогли их разглядеть. Вероятность распада составила около 2,4×10⁻⁸.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду, и лишь однажды на триллион столкновений рождается пара бозонов Хиггса (частиц, отвечающих за массу всего сущего). В эксперименте CMS физики выслеживали именно такие события.

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.

Каждую секунду в наших телах происходят миллиарды распадов, но никто этого не замечает. А вот физики замечают: они сталкивают частицы в ускорителях и смотрят, на какие осколки те разлетаются. В таких осколках прячется ответ на вопрос, почему мы вообще существуем. Ведь сразу после рождения Вселенной частиц и античастиц было поровну, но сегодня вокруг нас только частицы.

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.

Космологи измерили, с какой скоростью разбегаются далёкие галактики в разных уголках неба. Для этого они взяли два вида «космических линеек»: скопления галактик и взрывы сверхновых определённого типа. Оба способа показали одно и то же: в одном направлении Вселенная расширяется чуть быстрее, чем в противоположном.

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 протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере физики впервые поймали частицу с двумя очарованными кварками. Она называется Ξcc+ (произносится «кси-си-си плюс») и похожа на бусину, в которой вместо одного тяжёлого ядра — сразу два. Такие частицы крайне редки: из миллиардов столкновений лишь единицы рождают подобную экзотику.

На кухне два луча фонариков проходят сквозь друг друга, не замечая один другого. Свет со светом почти не взаимодействует. Но если разогнать частицы до огромных энергий, два фотона могут столкнуться и родить нечто новое.

Когда W-бозон (частица-переносчик слабого взаимодействия) распадается на кварк и антикварк, на огромной скорости коллайдера эти два осколка летят почти в одном направлении. Детектор видит не две отдельные частицы, а одну широкую струю — как если бы два бегуна на финише слились в одно пятно на фотоснимке.

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.

В 2017 году на Большом адронном коллайдере протоны сталкивались с энергией 5,02 ТэВ. Детектор CMS записывал эти столкновения, и среди миллиардов событий физики выискивали редкий случай: рождение одного-единственного топ-кварка без его античастицы.

Один-единственный антипротон, пойманный в ловушку и охлаждённый почти до абсолютного нуля, ведёт себя как камертон, по которому нужно ударить очень точно, чтобы услышать чистый звук. Уловить этот «звук» напрямую почти невозможно — слишком слаб сигнал.

В первые мгновения после столкновения двух ядер свинца на Большом адронном коллайдере рождается крошечный огненный шар — кварковый суп, где частицы свободно движутся. Если в этот момент возникает очень сильное магнитное поле, оно может разделить положительные и отрицательные заряды, как гребёнка разделяет волосы на пряди.

Два близнеца выглядят одинаково, но один — левша, а другой — правша. В мире элементарных частиц есть похожие пары: Ξ- и её античастица Ξ+. Они рождаются вместе в распаде частицы J/ψ и, как запутанные близнецы, сохраняют связь даже на расстоянии. Учёные на установке BESIII в Китае проследили за миллиардами таких пар, чтобы узнать, одинаково ли они распадаются.

В центре нашей Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, вокруг которой кружат звёзды. Их движение похоже на хоровод: одни носятся по вытянутым орбитам, другие — по почти круглым. Если рядом с чёрной дырой есть невидимое тёмное вещество, оно слегка искажает эти орбиты, как невидимая рука подталкивает звезду в сторону.

На Большом адронном коллайдере, разгоняя частицы до околосветовых скоростей, рождают топ-кварки — самые тяжёлые фундаментальные «кирпичики» Стандартной модели. Их время жизни — ничтожные доли секунды, но за эти мгновения они успевают проявить сложные квантовые корреляции.

Пуля, которая пробивает не одну мишень, а оставляет след сразу в нескольких слоях брони. Примерно так ведёт себя сверхтяжёлая тёмная материя, которую впервые искали в детекторе DarkSide-50. Обычные кандидаты в тёмную материю — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) — проходят сквозь вещество почти незаметно, изредка сталкиваясь с ядрами.

В 2018 году на Большом адронном коллайдере шёл особый сбор данных: детектор CMS ловил столкновения протонов с бешеной скоростью, чтобы набрать десять миллиардов частиц с прелестным кварком. Эти частицы, B-мезоны, живут крошечные доли секунды и распадаются на более лёгкие частицы, как перегруженный поезд, сбрасывающий вагоны на ходу.

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.

Гелий в воздушном шарике — тот самый газ, который заставляет его взлетать. Но задолго до шариков гелий появился в первые минуты после Большого взрыва. Его точное количество во Вселенной — как отпечаток пальца: по нему можно узнать, сколько видов нейтрино (частиц-призраков, проходящих сквозь стены) существует.

В гигантских ускорителях частицы летят почти со скоростью света и сталкиваются лоб в лоб. Но иногда один пучок оказывается чуть плотнее другого — как будто на переполненном эскалаторе кто-то встал не в ту сторону. Тогда столкновения идут неравномерно, и приборы начинают «мигать», сбивая измерения. Чтобы этого не случалось, нужно очень точно управлять плотностью пучков.

В детекторе LHCb Большого адронного коллайдера сталкиваются протоны, и на краткий миг рождаются частицы, которых нет в обычном веществе. Одна из них — нейтральный B-мезон. Он живёт меньше миллиардной доли секунды и распадается на две другие частицы: узкий резонанс J/ψ и более широкий ρ(770). Физики проследили за миллионами таких распадов и заметили странную вещь.

В детекторе BESIII частицы разыгрывают спектакль: сталкиваются, рождаются и распадаются, оставляя вспышки света. Но иногда актёр может уйти со сцены незаметно — через потайную дверь, которую не видят камеры. Физики искали именно такие «тихие» распады, когда частица превращается в нечто невидимое для приборов.

Камешек падает в пруд, и по воде расходятся круги. Но иногда камешек не сразу уходит на дно: он скользит под поверхностью, проплывает несколько метров и лишь потом всплывает, порождая круги в неожиданном месте. Так физики ищут долгоживущие частицы: они рождаются в столкновении протонов, летят сквозь детектор незамеченными, а затем распадаются на обычные частицы вдали от точки рождения.

Два волчка запускают одновременно и в противоположные стороны. Если один крутится влево, второй всегда крутится вправо — как бы далеко они ни разлетелись. Примерно так устроена квантовая запутанность, только вместо волчков — топ-кварки, самые тяжёлые частицы из известных.

Внутри протонов, разогнанных почти до скорости света, иногда рождается частица тяжелее атома золота — верхний кварк. Она живёт ничтожные доли секунды и распадается, оставляя след в детекторе ATLAS. Физики четыре года собирали такие следы, чтобы понять, как часто появляется верхний кварк и его зеркальный двойник — антикварк.