дифракция нейтронов

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 — частица, которая обычно стабильно «сидит» в ядре атома и не исчезает. Но некоторые теории предполагают, что изредка он может превращаться в своего невидимого двойника — гипотетическую частицу, которую невозможно поймать обычными детекторами.

Антипротон — зеркальный двойник протона: та же масса, но отрицательный заряд. Попадая в вещество, он обычно мгновенно аннигилирует — исчезает с выделением энергии, столкнувшись с ядром атома.

В девять утра детектор DarkSide-50 в 1400 метрах под горой Гран-Сассо фиксирует слабый ионизационный импульс. К одиннадцати вечера частота таких событий заметно падает. Это не сбой электроники и не сезонная вариация фона. Каждые сутки поток тёмной материи, достигающий детектора, меняется почти вдвое по амплитуде.

При бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ) пациенту вводят изотоп бор-10, который избирательно накапливается в опухолевых клетках. Затем область опухоли облучают потоком тепловых нейтронов.

В первые секунды после Большого взрыва Вселенная оставила нам не только свет, но и нечто гораздо более неуловимое — реликтовый нейтринный фон. Это эхо мироздания пронизывает каждый кубический сантиметр, но мы его почти не замечаем.

Обычный микроскоп бессилен, если нужно разглядеть одиночный вирус во всех подробностях. Слишком мал. Но есть инструмент, который бьёт вспышками в миллиарды раз ярче солнечного света — рентгеновский лазер на свободных электронах. Он устроен так, что успевает «сфотографировать» частицу до того, как она испарится от его же луча.

В глубине океана, куда не доходит свет, рождается план поимки частиц, которые почти ни с чем не взаимодействуют. Геонейтрино — крошечные посланцы из раскалённой мантии — вылетают при распаде урана и тория. Их поток несёт информацию о том, сколько тепла скрыто под нашими ногами.

Нейтронные звёзды — сверхплотные остатки массивных светил, где вещество сжато до ядерной плотности. Предел их устойчивости впервые описал Субраманьян Чандрасекар. Магнитары — экзотическая разновидность нейтронных звёзд, обладающая магнитным полем в квадриллион раз мощнее земного.

Детектор, заполненный сверхтекучим гелием-4, похож на идеально тихое озеро. Жидкость не плещется, не пузырится — она замерла в едином квантовом состоянии. Сквозь неё пролетает невидимый гость — частица тёмной материи. Сама она не светится и не оставляет следа. Но иногда задевает ядро атома гелия. Ядро получает слабый толчок и сдвигается.

Световая карусель кружит не людей, а электроны. Только вместо деревянных лошадок — невидимые лопасти из света. Именно такую «карусель» построили физики, чтобы придавать электронам вращение. Обычно, чтобы закрутить поток электронов в вихрь, нужна крошечная маска — трафарет с прорезями, вырезанный на масштабе атомов. Изготовить её крайне сложно.

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.

В кристалле Rb1-xV2Te2O спины атомов ванадия выстраиваются в шахматном порядке: каждый спин окружён противоположными. Такой узор называют G-типом антиферромагнетизма. Нейтроны, проходя сквозь образец, рассеиваются на этом узоре и выдают его геометрию — как свет фонарика, проходящий через жалюзи, рисует полосы на стене.

Кристалл без центра симметрии похож на комнату, где стены с одной стороны зеркальные, а с другой — матовые: отражение не совпадает с оригиналом. Такие материалы часто ведут себя необычно, потому что электроны в них чувствуют перекос решётки.

Нейтрон — частица без электрического заряда, и поймать его трудно: он проскакивает сквозь приборы, как пуля сквозь туман. В обычных экспериментах у него есть лишь один пролёт через кристалл, и все измерения укладываются в это мгновение. Новая идея — заставить нейтрон кружить внутри ловушки, как мячик между двумя стенками.

На поверхности тонкой плёнки из оксида висмута-железа видны ровные полоски — как бороздки на вспаханном поле. Что творится под ними, до сих пор оставалось загадкой. Новый прибор под названием DREDI просвечивает материал электронами и за доли секунды строит карту электрических полей на разной глубине с точностью до десяти нанометров — это в тысячу раз тоньше человеческого волоса.

Атомное ядро — не просто шарик из протонов и нейтронов. Внутри него, как в крошечном магните, есть своё распределение намагниченности. До сих пор его было трудно разглядеть: ядра живут ничтожные доли секунды, а их магнитное поле слабое. Теперь физики из ЦЕРНа нашли способ заглянуть внутрь. Они взяли короткоживущий изотоп калий-47 и поместили его в сильное магнитное поле.

В твёрдом теле атомы колеблются, передавая механические возмущения — звук. Иногда эта волна не бежит строго прямо, а завивается спиралью, подобно штопору, входящему в пробку. В обычных кристаллах такие «звуковые вихри» — или, точнее, фононы с орбитальным угловым моментом — известны, но в магнитных материалах их долго не удавалось зарегистрировать.

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.

Камера, которая снимает не свет, а поток электронов, отражённых от кристалла, — это гибридный пиксельный детектор. Он умеет считать каждый попавший в него электрон, почти не создавая собственного шума. В обычном режиме, когда пучок электронов льётся непрерывно, детектор работает отлично.

Если бросить камень в пруд, по воде пойдут круги. В магнетике тоже есть волны — только колеблются не молекулы воды, а направления магнитных стрелок атомов. Такие волны называют магнонами, и по их поведению можно многое понять о невидимых силах между атомами. В новом эксперименте пучок нейтронов пропустили через кристаллы Na₂IrO₃ — соединения натрия, иридия и кислорода.

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 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.

Электронный микроскоп сканирует образец и в каждой точке записывает, как электроны рассеиваются на атомах. Получается гигантская стопка снимков — по одному на каждую точку. В них зашифрована информация о том, как уложены атомы: ровными рядами или с перекосом, куда повёрнута кристаллическая решётка, есть ли внутренние напряжения.

Кусок плотного пластика размером с монету вспыхивает, когда в него попадает невидимая частица. Так работают сцинтилляторы — материалы, которые превращают радиацию в слабый свет. Обычно их делают из хрупких кристаллов или дорогих полимеров. Но теперь появился вариант попроще: обычный полиуретан, из которого отливают мебельные поролоны и подошвы.

Кристалл Fe₄Nb₂O₉ при охлаждении до -272°C превращается в магнитный узор, где атомные стрелки не выстраиваются в одну шеренгу, а расходятся веером. Это как если бы толпа людей замерла, но каждый смотрел в свою сторону, а не в затылок соседу. Такое расположение магнитных моментов называют неколлинеарным, и именно оно, как выяснилось, отвечает за необычное поведение материала.

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.

Магнитное поле невидимо, но его можно заставить «светиться». Для этого берут крошечный алмаз с дефектами — местами, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустует узел решётки. Такие дефекты, как чувствительные стрелки компаса, реагируют на малейшие изменения магнитного поля и испускают свет разной яркости.

Нейтрино — самые неуловимые из известных частиц. Каждую секунду сквозь ваше тело пролетают триллионы нейтрино от Солнца, но вы этого не замечаете: они почти не взаимодействуют с веществом. Чтобы поймать хотя бы одно, физики строят гигантские детекторы — бассейны с водой или жидким аргоном глубоко под землёй.

Видимое вещество — лишь капля в огромном космическом бульоне. Основу Вселенной составляет незримая тёмная материя — гипотетическая субстанция, которая не излучает и не поглощает свет, но своей гравитацией удерживает галактики от распада.

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.

Кремниевая сфера диаметром 166 нанометров парит в луче инфракрасного лазера. Давление ниже 10⁻⁸ мбар, температура движения — около 10 милликельвинов. Это холоднее реликтового излучения. Сфера — микроскопический сейсмограф, улавливающий квантовые толчки невидимых частиц. Каждый удар частицы тёмной материи передаёт сфере импульс. Сфера вздрагивает.