детектирование нейтрино в жидком аргоне

В глубине горы, где мюоны космических лучей глушатся толщей породы, стоит детектор, который ловит не свет, а его отсутствие. Позитроний — крошечный атом, в котором электрон и его античастица позитрон кружат друг вокруг друга, как пара танцоров. Обычно они сходятся и исчезают во вспышке из двух или трёх гамма-квантов.

Шар из алюминия диаметром с большой глобус стоит в пучке нейтронов и отвечает на каждый удар точной нотой. Внутри шара нет ничего, кроме азота и одиннадцати крошечных стальных шариков, каждый размером с булавочную головку. Когда нейтрон влетает в шар, он выбивает из атома азота частицу, и этот толчок превращается в электрический сигнал.

Представьте конвейер, по которому каждую секунду проносятся 30 миллионов посылок, а контролёр должен мгновенно решить, что внутри: ценный груз или мусор. На Большом адронном коллайдере такой конвейер — это триггер эксперимента LHCb, отбирающий редкие распады частиц среди миллиардов столкновений.

Нейтрон, запертый в ядре, ведёт себя иначе, чем на свободе. Его глюонное облако, которое удерживает кварки вместе, сжимается, как пружина под нагрузкой. Раньше это можно было только предполагать, но теперь физики впервые увидели этот эффект напрямую. В Лаборатории Джефферсона пучок электронов ударял по жидкому дейтерию, выбивая из ядер фотоны.

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.

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.

Массивные оттоки газа из активных ядер галактик — ключевой регулятор галактической эволюции. Они выметают межзвёздную среду, глушат звездообразование и диктуют рост сверхмассивных чёрных дыр.

Бассейн с чистейшей водой, в который изредка падают крошечные, почти невидимые капли. Каждая оставляет едва заметный всплеск, и чтобы его зафиксировать, нужны годы терпения. Именно так выглядит охота за солнечными нейтрино в детекторе DEAP-3600 — огромном резервуаре с жидким аргоном, спрятанном глубоко под землёй.

Свет оставляет след, даже когда его почти нет. Отдельный фотон — крошечный сгусток энергии — падает на кремниевую пластинку и выбивает горстку электронов. Беда в том, что горстка слишком мала, чтобы её заметить. Нужен усилитель. Обычно сигнал усиливают, прикладывая напряжение к металлическим контактам на поверхности детектора.

В 1987 году астрономы увидели вспышку сверхновой в соседней галактике — Большом Магеллановом Облаке. Это был редкий подарок: взрыв произошёл достаточно близко, чтобы поймать не только свет, но и нейтрино (почти неуловимые частицы, проходящие сквозь Землю насквозь).

Спектр вещества — его отпечаток пальцев. Обычно, чтобы его снять, образец помещают в сильное магнитное поле, как в томографе. Но есть способ обойтись вовсе без магнита: регистрировать сигнал от ядер атомов при нулевом поле. До сих пор этот метод страдал от слабой чувствительности, а его сложные спектры было трудно предсказать.

Альфа-частица — это ядро гелия, которое вылетает при распаде тяжёлых атомов. Попадая в кристалл нитрида галлия, она отдаёт ему свою энергию и рождает электрический импульс. По высоте импульса можно узнать, сколько энергии было у частицы.

Лазер бьёт по мишени из тонких проволочек — и за десятки фемтосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды) выбивает из них поток протонов. Эти протоны влетают в конвертер из лития и дейтерия, где рождаются нейтроны.

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.

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.

В тёмной шахте под итальянскими Альпами стоит бак с тремя тоннами жидкого ксенона. Когда в него попадает частица, она выбивает из атомов слабые вспышки света и облачка электронов. По этим следам физики надеются увидеть редчайший распад: ядро ксенона-136 превращается в барий-136, испуская два электрона и ни одного нейтрино.

Крошечная частица-призрак пролетает сквозь кусок германия. Обычно она не оставляет следов, но иногда, как бильярдный шар, ударяет по ядру атома. Ядро отскакивает, и этот толчок можно заметить. В Ок-Ридже, в национальной лаборатории, детектор Ge-Mini ловил такие отскоки два года. Нейтрино — самые неуловимые из известных частиц.

В глубине канадской шахты стоит бочка с 3269 килограммами жидкого аргона — прозрачной жидкости, похожей на очень холодную воду. Эта бочка — детектор DEAP-3600, и её задача — поймать частицы тёмной материи, которые, как считается, пронизывают Вселенную, но почти не взаимодействуют с обычным веществом.

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 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.

Газ в галактике светится, как неоновая вывеска, и по цвету этого свечения астрономы определяют, насколько он горячий. Логика простая: чем больше в газе тяжёлых элементов (астрономы называют их металлами), тем лучше он остывает. Значит, у богатых металлами галактик температура должна быть ниже. Но новые наблюдения показали обратное.

В толще антарктического льда, на глубине, где не бывает солнечного света, висят антенны. Они слушают не звуки, а радиоволны — и ждут сигнала от частицы, которую почти невозможно поймать. Нейтрино пролетает сквозь Землю, как пуля сквозь туман, но иногда, очень редко, задевает атом льда. Тогда рождается короткий радиовсплеск — и антенны его записывают.

В горячем цеху плавящегося металла любая льдинка испарилась бы в миг. Но спрятанная в толстую варежку, она останется целой. Похожий трюк природа провернула в планетарной туманности NGC 6302.

В тёмной комнате детектора аргон ждёт. Когда сквозь него пролетает невидимая частица — например, кандидат в тёмную материю, — она слегка толкает ядро аргона. Ядро срывается с места, а вокруг него рождаются заряды. Сколько именно зарядов — вопрос не праздный: по их числу физики судят, что за гость приходил.

Тонкий кристалл гексагонального нитрида бора — родственник графита, только прозрачный и диэлектрик. В его решётке иногда встречаются одиночные дефекты: атом бора или азота отсутствует, и на его месте образуется ловушка для электронов. Такая ловушка способна поглощать свет и испускать его обратно, как крошечный фонарик.

В тёмной комнате охотник ждёт едва слышный шорох. Так и физики годами вслушиваются в сигналы от частиц тёмной материи — невидимого вещества, которое держит галактики вместе, но не светится. Новый детектор делает этот «слух» в сто тысяч раз острее. Внутри прибора — газ SF₆ (тот самый, что гасит искры в электросетях). Когда частица пролетает сквозь газ, она выбивает электроны.

Детектор MicroBooNE — это большой бак с жидким аргоном, который ловит частицы, пролетающие сквозь него. Когда частица проходит, она оставляет след из заряда и вспышку света. Эти следы складываются в трёхмерную картинку события, как будто частица рисует свой путь в прозрачном кубе.

В центре галактики NGC 4278 сидит чёрная дыра, которая выбрасывает две струи плазмы — как гигантская пушка, стреляющая частицами в космос. Эти струи разгоняют частицы до энергий, которые не снились ни одному земному ускорителю.

В подземном зале Фермилаба стоит огромный бак с жидким аргоном — прозрачной жидкостью при температуре минус 186 градусов. Когда невидимая частица нейтрино влетает в этот бак, она иногда задевает ядро аргона, и вспыхивает короткий след из заряженных частиц. Детектор MicroBooNE ловит такие вспышки уже несколько лет и накопил сотни тысяч записей.

Квазар — это сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики, которая пожирает вещество и светится ярче всех звёзд вокруг. Часть энергии уходит в радиоизлучение, и оно, как считалось, может разогревать или выбрасывать холодный газ — сырьё для новых звёзд. Астрономы решили проверить, как сила радиоизлучения связана с запасами этого газа.

Короткий лазерный импульс бьёт в воздух — и на месте удара вспыхивает крошечная молния. Она живёт дольше, чем кажется: яркое свечение видно ещё полмиллисекунды, а слабое — почти двадцать миллисекунд. Всё это время внутри плазмы носятся свободные электроны, и учёные впервые точно измерили, сколько их и насколько они горячие.

В баке с чистой водой частицы, летящие быстрее света в этой среде, оставляют голубоватые вспышки — как самолёт, преодолевший звуковой барьер, рождает гром. По таким вспышкам можно понять, что за гость пролетел: гамма-квант или нейтрон. Задача не праздная: на границах и складах нужно быстро отличать безобидный радиоактивный груз от материала, пригодного для оружия. Сначала работает простой физический порог.

В шахте на глубине двух километров, под толщей канадской скалы, стоит бочка с тремя тоннами жидкого аргона. Аргон охлаждён до минус ста восьмидесяти шести градусов и прозрачен, как вода. Эта бочка — ловушка для частиц тёмной материи, которые, как считают учёные, проходят сквозь нас каждую секунду, но почти никогда не задевают обычное вещество.

Электроны в металле похожи на толпу в метро: каждый сам по себе, но при малейшем толчке все разом приходят в движение. Такое коллективное колебание электронного газа физики называют плазмоном. В сверхпроводниках эти колебания особенно важны, ведь они показывают, как электроны взаимодействуют друг с другом.

В холодных разреженных облаках космоса частицы встречаются редко, но иногда ион и нейтральная молекула пролетают достаточно близко, чтобы слипнуться. При этом они испускают свет — как приглушённая вспышка, уносящая лишнюю энергию. Этот процесс называют радиативной ассоциацией, и он отвечает за появление многих молекул в межзвёздном пространстве.

Тёмная материя — невидимое вещество, которое держит галактики вместе, но не испускает свет. Поймать её частицы — всё равно что услышать шёпот в шумном зале. Обычные детекторы слышат только громкие удары, а слабые сигналы тонут в помехах. В жидком аргоне частица тёмной материи, столкнувшись с ядром атома, выбивает искру света и облако зарядов. Но при слабом толчке искра едва тлеет.

В тёмных, холодных облаках космоса, где рождаются звёзды, пылинки покрываются тонким слоем льда. Этот лёд — не просто замёрзшая вода, а смесь разных молекул: угарный газ, углекислый газ, азот и другие. Долгое время астрономы не могли найти в этом льду закись азота (N2O) — тот самый «веселящий газ», который используют в медицине.

В центре почти каждой большой галактики сидит сверхмассивная чёрная дыра. Она тянет к себе газ и пыль, и вокруг неё закручивается яркий диск. Но телескоп Джеймс Уэбб заглянул дальше — в область, где свет чёрной дыры уже слабее, а пыль всё равно светится. Астрономы рассмотрели восемь галактик. В четырёх из них пыль вытянулась на сотни световых лет от центра — как длинные рукава.

Тяжёлая вода — та самая, где вместо обычного водорода его более увесистый собрат дейтерий — пропускалась через электрический ток. На катоде оседал палладий, и в этой скромной электрохимической ванне детекторы раз за разом замечали нечто неожиданное: следы медленных нейтронов. Детекторы были двух сортов.

В тёмной комнате стоит бак с жидким аргоном. Иногда сквозь него пролетает невидимая частица, задевает ядро атома — и в жидкости вспыхивает слабый свет. По этой вспышке физики пытаются понять, что за гостья к ним пожаловала.