рассеяние нейтронов

Термоядерный реактор — это сверхгорячая печь, где плазма раскалена до миллионов градусов. Стенки такой печи делают из вольфрама: он тугоплавкий, как никакой другой металл. Но даже вольфрам не выдерживает без защиты: быстрые частицы из плазмы бомбардируют поверхность и выбивают атомы.

Сверхчувствительные весы пытаются уловить разницу между двумя почти одинаковыми песчинками. Одна из них — идеальное отражение другой, как в зеркале. В мире элементарных частиц такое зеркальное отражение называют P-чётностью — фундаментальной симметрией, которая, как выяснилось, нарушается в слабых взаимодействиях.

Высоко в горах, где воздух прозрачен и тих, физики готовятся ловить неуловимых гостей из космоса — нейтрино, частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом. Эти лептоны, словно призраки, проходят сквозь Землю, почти не оставляя следов. Но иногда нейтрино всё же врезается в атом, рождая ливень частиц, который можно зарегистрировать.

Солнечные нейтрино — крошечные частицы, рождающиеся в недрах Солнца каждую секунду триллионами. Они проходят сквозь Землю, почти не замечая её, и долгое время считались абсолютно стабильными. Но, возможно, и они способны «стареть» — незаметно распадаться, исчезая по пути к нам. Проверить это взялись физики, работающие с детекторами тёмной материи.

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.

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

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая лаборатория, где вещество сжато до немыслимых плотностей. В первые мгновения после слияния рождается горячее облако, которое остывает, испуская нейтрино. Эти частицы-невидимки уносят энергию и диктуют, сколько вещества будет выброшено в космос и какие тяжёлые элементы синтезируются.

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.

Кристалл La3Ni2O7 похож на слоёный пирог, где начинка из атомов никеля и кислорода чередуется с прослойками лантана. При обычном давлении он не проводит ток без сопротивления, но стоит его сжать или вырастить в виде тонкой плёнки — появляется высокотемпературная сверхпроводимость.

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.

Когда вещество разогревают до миллионов градусов, оно превращается в плазму — смесь свободных электронов и ионов, похожую на кипящий суп из заряженных частиц. Заглянуть в такой «суп» обычным термометром нельзя, но можно просветить его рентгеновскими лучами.

Когда пучок ионов углерода входит в тело, он отдаёт энергию не сразу, а в конце пути — как бегун, который выкладывается на финишной прямой. Врачам нужно знать точку этого финиша, чтобы не задеть здоровые ткани. Но как заглянуть внутрь тела, не делая разрез? Ответ подсказывает сама физика: при столкновении ионов с ядрами атомов рождаются короткие вспышки гамма-излучения.

Нейросеть, натренированная на столкновениях протонов и электронов, перенесла свои навыки на совсем другой эксперимент — ловлю нейтрино. Словно повар, который учился готовить французскую кухню, а потом без подготовки испёк отличный узбекский плов.

Глубоко под Апеннинскими горами, в чане с тремя тоннами жидкого ксенона, раз в несколько дней что-то едва заметно вздрагивает. Это солнечное нейтрино — частица-призрак, рождённая в термоядерном пекле Солнца, — пролетела 150 миллионов километров сквозь пустоту и горную породу, чтобы наконец столкнуться с ядром ксенона.

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.

Глубоко под ногами, в толще планеты, идёт медленный распад радиоактивных элементов. При этом рождаются крошечные частицы — геонейтрино. Они проходят сквозь земную кору, мантию и ядро, почти ни с чем не взаимодействуя. Но если поймать хотя бы несколько таких частиц, можно узнать, из чего именно сложены недра Земли — сколько там калия, урана или тория. Это как слушать шёпот из глубин.

Обычный ядерный реактор похож на котёл, где топливо сгорает равномерно по всему объёму. Здесь другая картина: по цилиндрическому стержню из карбида урана медленно ползёт волна деления — узкая зона, где атомы расщепляются и выделяют тепло. Впереди волны топливо ещё не тронуто, позади — уже отработало. Так огонь бежит по фитилю свечи, оставляя за собой воск.

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.

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 экспериментах по рассеянию частиц мишень часто поляризуют: ядра выстраивают так, чтобы их спины смотрели преимущественно в одну сторону. От степени этой выстроенности зависит результат столкновений. Чтобы её измерить, через мишень пропускают слабый радиосигнал и следят, как ядра его поглощают.

Таможенник не может разобрать чемодан на части, чтобы узнать, что внутри. Он просвечивает его рентгеном и по теням на экране понимает: вот металл, вот органика. Примерно так же инспектор будущих договоров о ядерном разоружении должен проверять боеголовку — не открывая её и не видя секретной начинки. Нейтроны для такой проверки подходят лучше рентгена.

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.

Представьте детектор тёмной материи как комнату, где исследователи пытаются расслышать едва уловимый шёпот, но всё вокруг заполнено треском статического электричества. Этот треск создают атомы радона — радиоактивного газа, который непрерывно просачивается из конструкционных материалов и воздуха.

Расплавленный металл похож на переполненный зал, где все ждут сигнала, чтобы начать танец. Кристаллизация — тот самый момент, когда хаос превращается в порядок. Но чтобы танец начался, нужен первый шаг: появление крошечных зародышей кристаллов. Обычно для этого металл приходится сильно охлаждать. Оказалось, что простая тряска может заменить часть охлаждения.

Ядро атома обычно имеет чёткую форму — вытянутую, как дыня, или сплюснутую, как тыква. Но кремний-30 ведёт себя иначе: он словно не может решить, каким быть. В эксперименте пучок ядер кремния-28 и кремния-30 направляли на мишень из циркония-90 при энергиях вблизи кулоновского барьера — той границы, где ядра уже почти соприкасаются, но ещё не сливаются.

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.

Тёмная материя — невидимый гравитационный каркас, удерживающий галактики от центробежного распада. Ещё в 1930-х Фриц Цвикки, анализируя движение галактик в скоплении Волос Вероники, обнаружил аномально высокие скорости, требующие дополнительной массы.

Нейтрино — частицы-призраки, предсказанные Стандартной моделью и почти не взаимодействующие с веществом. Поймать их — всё равно что расслышать шёпот в грохоте водопада. Для этого созданы детекторы ARA и RNO-G, вмороженные в лёд Антарктиды и Гренландии.

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.

Атомное ядро — это не просто мешок с протонами и нейтронами. Это квантовая система, где частицы связаны невидимыми нитями запутанности. Когда два протона или нейтрона взаимодействуют, их состояния переплетаются так, что описать одно без другого невозможно.

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.

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.

Гравитационные волны от слияния нейтронной звезды с чёрной дырой несут в себе отпечаток сложнейшей динамики пространства-времени. Чтобы расшифровать этот отпечаток, физики вычисляют амплитуды рассеяния — квантовые вероятности того, что два тела разлетятся под определённым углом.

Четыре атома цезия висят в вакууме, удерживаемые лазерными пинцетами, как бусины на невидимой нити. Вокруг них — кольцевой резонатор, замкнутый контур из зеркал, где свет бежит по кругу, не встречая препятствий. Когда на эту крошечную цепочку падает пробный луч, происходит нечто странное: атомы начинают рассеивать свет не равномерно во все стороны, а преимущественно в одном направлении.

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.