жидкий сцинтиллятор

Крошечная капсула, похожая на мыльный пузырь, но с оболочкой из светящихся кристаллов, ведёт себя как лазер. Пока её стенка цела, свет бегает по кругу, усиливается и вырывается узким ярким лучом. Стоит стенке лопнуть, и луч превращается в тусклое пятно. Такая капсула — это коллоидосома, и она умеет менять своё свечение по команде.

Тёмную материю никто не видел, но она должна проходить сквозь детекторы как ветер сквозь листву. Иногда, очень редко, частица тёмной материи задевает ядро атома — и тогда детектор должен уловить этот толчок. Проблема в том, что лёгкие частицы тёмной материи почти не могут сдвинуть тяжёлые ядра: это как пытаться сбить кеглю, бросая в неё пушинку.

В июле 1969 года, когда «Аполлон-11» летел к Луне, астронавты заметили нечто необычное: короткие вспышки света, которые появлялись даже с закрытыми глазами. Сначала это списали на усталость, но вспышки повторялись у разных экипажей. Постепенно стало ясно: виноваты космические лучи — поток заряженных частиц, летящих сквозь космос с огромной скоростью.

Световое поле, подобно аккуратной вафельнице, формирует в пространстве регулярный узор из ярких и тёмных областей. В самых светлых точках, как в крошечных лунках, застревают атомы — так образуется оптическая решётка. Это излюбленный инструмент физиков для изучения квантовых свойств вещества в изолированных условиях.

Обычно свет не превращает изолятор в проводник — для этого требуются мощные лазерные импульсы, разрушающие структуру материала. Но в скрученном под магическим углом двуслойном графене — материале из двух слоёв углеродной решётки, повёрнутых друг относительно друга на особый угол, — всё иначе.

Огромный бассейн с прозрачной жидкостью спрятан глубоко под землёй. В нём нет ничего, кроме чистейшего «бульона», который вспыхивает слабым светом, когда сквозь него пролетает частица-невидимка. Это — детектор JUNO, 20 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора, построенный для охоты за нейтрино. Главный враг такой охоты — не темнота, а собственный шум.

В мире, закованном в кристаллическую решётку и охлаждённом почти до абсолютного нуля, материя умеет скрывать свои главные тайны. Квантовая спиновая жидкость — состояние, где спины электронов никогда не замирают даже при нулевой температуре, оставаясь в вечно мерцающей суперпозиции.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро коллапсирует, порождая сверхновую и испуская всепроникающий ливень нейтрино.

Квантовые технологии остро нуждаются в универсальном «переводчике» между языками микроволн и света. Сверхпроводящие кубиты общаются на сантиметровых волнах, тогда как фотоны в оптоволокне — на оптических частотах. Мостом могут стать квантовые состояния магнонов — коллективных возбуждений спинов в магнитных кристаллах.

Представьте трёхликого танцора на гребне световой волны. Один лик — ловец, вбирающий падающие фотоны. Второй — идеальное зеркало, бросающее свет обратно. Третий — матовое стекло, рассеивающее лучи во все стороны. Пока скорость мала, танец слажен. Но на околосветовых скоростях хореография ломается. Это похоже на сёрфера, догоняющего волну. Поначалу вода мощно толкает вперёд.

Обычный лазер похож на оркестр, где музыканты должны разогреться, прежде чем заиграть в унисон. Сначала нужно накачать энергией достаточно атомов, чтобы они «перевернулись» и были готовы излучать свет — это называют инверсией населённостей. Только тогда вспыхивает луч. Поляритонный лазер играет по другим правилам: его «музыканты» — смесь света и вещества — вступают в дело почти без подготовки.

Пылинка висит в воздухе, удерживаемая невидимым лучом света. Вокруг неё — обычный воздух, но иногда по пылинке проскакивает крошечная искра. Учёные впервые рассмотрели такие разряды вблизи и выяснили, что их запускает не сама пылинка, а невидимые гости из космоса и из земли. Лазерный пинцет (луч, который может держать микроскопические предметы) удерживал пылинку размером с бактерию.

Обычная вода в стакане прозрачна и спокойна. Но если в неё добавить крошечные углеродные точки, сделанные из сахара и лимонной кислоты в обычной микроволновке, вода начинает светиться, когда сквозь неё пролетает заряженная частица. Углеродные точки — это частицы углерода размером в несколько нанометров, меньше вируса.

Луч лазера, закрученный в спираль, похож на воронку в раковине: свет движется не только вперёд, но и по кругу. Такие вихревые лучи уже помогают двигать крошечные частицы и передавать больше данных. Но стоит им пройти через неоднородную среду — и вихрь распадается, как вода из дырявого ведра. Фотоника — наука о свете в микрочипах — нашла способ удержать вихрь.

Под землёй, в бывшей золотой шахте, стоит бак с жидким ксеноном. Если через него пролетит частица тёмной материи, ксенон вспыхнет. Но вспыхивает он и от обычных частиц — например, от нейтрино или остатков радиоактивности. Задача — понять, какая вспышка от тёмной материи, а какая от шума.

В тёмном баке на тридцать тонн вода светится, когда сквозь неё пролетает частица-призрак. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом, но изредка задевает атомы, и тогда рождается вспышка. Чтобы её поймать, в воду добавляют особое вещество — жидкий сцинтиллятор, который усиливает свет. Обычные детекторы видят либо один тип свечения, либо другой.

Крошечная стеклянная сфера парит в луче лазера, как пылинка в солнечном свете. Внутри неё — радиоактивный свинец, который время от времени распадается. Каждый распад выбрасывает заряженные частицы, и сфера теряет или приобретает крошечный электрический заряд.

Зелёный луч фонарика ныряет в бассейн и достаёт до дна, почти не ослабев. Вода прозрачна именно для зелёного света, поэтому его используют для связи под водой. Но чтобы передать видео или данные с датчика, свет нужно очень быстро включать и выключать — миллиарды раз в секунду. Обычные лазеры для этого слишком медленные и нестабильные.

Светящаяся точка размером с молекулу. Через неё пропускают ток — и она вспыхивает, как крошечная лампочка. Так выглядит эксперимент с молекулами красителя на поверхности тонкой соляной плёнки. Когда ток попадает в молекулу, один электрон отдаёт ей энергию. Молекула тут же отдаёт эту энергию обратно — в виде света. Это как качели: толкнули один раз, а они качнулись и замерли.

Луч лазера обычно летит прямо, как струя воды из шланга. Но что, если закрутить эту струю, как нить штопора? Получится световая пружина — луч, который при движении ещё и вращается вокруг своей оси. В каждой точке пространства его яркость описывает спираль, и если поставить на пути такого луча плоский экран, на нём появится вращающееся световое пятно.

Гроза где-то далеко, а счётчик Гейгера уже щёлкает чаще. Так космические лучи — поток заряженных частиц из глубин космоса — напоминают о себе. Врезаясь в атмосферу, они рождают ливни вторичных частиц, среди которых есть мюоны: тяжёлые родственники электронов, способные долететь до земли. Поймать их — значит увидеть, как дышит космос.

В огромном тёмном зале ищут одного-единственного человека, который почти не издаёт звуков. Так физики охотятся за стерильными нейтрино — частицами-призраками, которые проходят сквозь материю, почти не оставляя следов. В японском ускорительном центре J-PARC работает установка JSNS².

Блазар — это далёкая галактика, из центра которой бьёт струя плазмы, направленная почти прямо на нас. Внутри этой струи частицы разгоняются до скоростей, близких к световой, и испускают мощное излучение.

В глубине умирающей звезды, которая в восемь раз тяжелее Солнца, за несколько дней до финального взрыва начинается тихая лихорадка. Ядро звезды сжимается и разогревается, и из него вырываются нейтрино — крошечные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом.

Материал толщиной в один атом и рекордной чистоты — лишь один чужеродный атом на миллион — становится ареной удивительного явления. При охлаждении почти до абсолютного нуля электроны внутри, словно музыканты оркестра, замирают в строгом порядке, образуя электронный кристалл — состояние, предсказанное Юджином Вигнером почти век назад и потому называемое…

Некоторые сверхъяркие сверхновые — звёздные взрывы колоссальной мощности — демонстрируют в спектре отчётливую линию кислорода и быстрое расширение оболочки, тогда как другие лишены этих признаков. Долгое время астрофизики считали, что перед ними принципиально разные явления.

В сверхтекучем гелии — состоянии, где жидкость течёт без трения, — самопроизвольно возникают квантованные вихри: микроскопические воронки, напоминающие водовороты в обычной воде, но подчиняющиеся законам квантовой механики.

Сверхизлучение (суперфлуоресценция) — это синхронизированный «выдох» света кристаллом, когда множество возбуждённых частиц одновременно испускают фотоны. Недавно исследователи впервые наблюдали его зеркальное отражение: суперабсорбцию — скоординированный «вдох», при котором кристалл коллективно поглощает свет, словно время потекло вспять.

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.