измерение массы нейтрино

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.

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.

В центре нейтронной звезды вещество сжато так, что чайная ложка весит миллиард тонн. Казалось бы, лучше места для поиска следов квантовой гравитации не найти. Но между лабораторией и фундаментальным масштабом — пропасть в 10⁸⁰ раз по плотности. Три двери ведут в эту комнату.

В 1998 году физики поймали нейтрино на удивительном: частица меняет свой тип на лету. Такое возможно, только если у неё есть масса. Это стало единственным лабораторным доказательством физики за пределами Стандартной модели. Но сколько именно весит нейтрино — до сих пор загадка.

Космология похожа на оркестр, где разные группы инструментов вдруг начали играть вразнобой. Измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла) по ранней и поздней Вселенной дают разные числа. Другие наблюдения намекают на «отрицательную» массу нейтрино нейтронных звёзд — физический нонсенс.

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.

Нейтрино — самые распространённые частицы с массой во Вселенной. Эти «частицы-призраки» почти не взаимодействуют с веществом: триллионы проходят сквозь нас каждую секунду, не оставляя следа. Их совокупное гравитационное притяжение, хоть и чрезвычайно слабое, способно влиять на движение целых галактик.

Кастрюля, в которой кипит суп из трёх ингредиентов. Повар меняет пропорции на ходу, и за этим следят по положению точки на треугольной шкале. Примерно так физики разбираются с нейтрино от взрыва сверхновой. Когда ядро звезды сжимается до чудовищной плотности, рождается поток нейтрино — лёгких частиц, почти не взаимодействующих с веществом.

Вселенная — это исполинская паутина из невидимой тёмной материи и галактик, растягиваемая расширением пространства. Нейтрино — почти неосязаемые частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом, — почти не цепляются за нити, но их общая масса неуловимо меняет натяжение всей сети.

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.

Нейтрон — частица внутри атомного ядра — может жить в двух мирах: нашем и зеркальном. В зеркальном мире есть свой нейтрон-двойник, невидимый для наших приборов. Если обычный нейтрон иногда перескакивает в зеркальный мир и обратно, часть нейтронов в ловушке словно растворяется в воздухе.

В одной палате больницы +40°C, в другой +10°C, а в среднем получается +25°C. Если бы температура влияла на что-то нелинейно — скажем, на скорость размножения бактерий, — среднее значение дало бы неверный прогноз. Такая же проблема возникает, когда космологи описывают Вселенную, где галактики сбиты в скопления, а между ними зияют пустоты.

Антипротон — это зеркальный двойник протона: та же масса, но отрицательный заряд. Когда он приближается к ядру атома, частицы могут аннигилировать, превращаясь в излучение. В эксперименте PUMA в ЦЕРНе изучают, как антипротоны захватываются ядрами и образуют экзотические атомы, похожие на водород, но с антипротоном вместо электрона.

Внутри нейтронной звезды материя сжата так плотно, что чайная ложка её вещества весила бы как гора. Что происходит с частицами в таких условиях, мы не видим напрямую — но звёзды рассказывают о себе через гравитационные волны и свет, если две такие звезды сливаются.

Внутри нейтронной звезды — компактного остатка массивной звезды — вещество сжато до немыслимых плотностей, где атомные ядра сливаются в сплошную нейтронную среду. Раньше астрофизики были вынуждены гадать, как именно там всё устроено, перебирая возможные уравнения состояния — математические соотношения, связывающие давление и плотность в недрах.

В 1930-е годы Вольфганг Паули осознал: без крохотных частиц-призраков энергетический баланс звёзд не сходится. Так в физику вошли нейтрино — почти не взаимодействующие с веществом странники, пронизывающие всё вокруг. Чтобы объяснить их способность превращаться друг в друга (осцилляции), нейтрино должны обладать ненулевой массой.

В огромном спектрометре в Карлсруэ, похожем на гигантскую металлическую бочку, ловят частицы, которые почти невозможно поймать. Нейтрино — призраки микромира: каждую секунду сквозь ваше тело пролетают триллионы этих частиц, и вы этого не замечаете. Но у них есть масса, и учёные хотят её измерить. Для этого в KATRIN используют радиоактивный газ тритий.