отдача ядра

В баке с тремя тоннами жидкого ксенона, спрятанном глубоко под землёй, однажды что-то шевельнулось. Не сам ксенон, а одно из его атомных ядер: оно получило толчок с энергией 248 тысяч электронвольт и отскочило, как бильярдный шар, в который попал невидимый шар.

Внутри атомного ядра протоны и нейтроны не лежат на месте, как горошины в банке. Каждая частица занимает свою орбиту — область пространства, где её можно обнаружить. Чем больше орбита, тем «размазаннее» частица. Учёные измерили размеры таких орбит в ядрах кальция и скандия: они выбивали частицы из ядра и смотрели, с каким импульсом те вылетают. Метод похож на игру в бильярд.

В антарктическом льду спрятан детектор размером с кубический километр. Он ловит не свет, а призрачные частицы — нейтрино, которые почти не взаимодействуют с веществом. Но иногда в нём может мелькнуть совсем другой зверь: пара мюонов, которые рождаются вместе и разлетаются широким веером. Такой узор не нарисовать ни одной известной частицей из обычной материи.

В 1976 году физики предсказали: электрон может не просто пролететь мимо ядра, а врезаться в него и передать энергию, заставив ядро «вздрогнуть». Эффект назвали NEEC — ядерное возбуждение путём захвата электрона (Nuclear Excitation by Electron Capture). Но за почти пятьдесят лет его так и не смогли увидеть в эксперименте.

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.

264 километра в секунду — с такой скоростью Солнечная система проносится сквозь облако тёмной материи. Его существование выдали галактики: они вращались слишком быстро, чтобы их удерживала видимая масса, и Вера Рубин первой заподозрила скрытый каркас.

Квантовая запутанность — явление, при котором состояния двух или более частиц оказываются взаимосвязанными независимо от расстояния между ними — обычно связывает внутренние свойства, такие как спин или поляризация. Однако в новой работе впервые реализована запутанность самих положений двух атомов в пространстве.

Бильярдный шар врезается в другой. Удар — и шары разлетаются. Но если толчок будет не резким, а очень плавным, шары просто покатятся вместе, не отскакивая. Примерно так же ведёт себя атом, когда в него попадает частица тёмной материи.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро стремительно коллапсирует, инициируя взрыв сверхновой. Этот катаклизм порождает потоки частиц — подобно расходящимся кругам от брошенного в воду камня. Первыми достигают Земли быстрые нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой кипящий суп из элементарных частиц. Даже нейтрино — легчайшие частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом — тогда активно сталкивались со всем подряд.

Нейтронная звезда — это мёртвое ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. Чайная ложка её вещества весит как гора. Сквозь такую плотную среду частицы тёмной материи пролетают почти свободно, но иногда всё же ударяются о нейтроны и застревают, словно пули, вязнущие в толще песка. Осев в центре, они отдают энергию — и звезда чуть нагревается.

Обычные детекторы тёмной материи похожи на футбольного вратаря, который ждёт мощного удара, а мяч еле катится. Частицы-невидимки, заполняющие нашу Галактику, часто движутся слишком медленно, чтобы их заметили чувствительные датчики.

Когда два тяжёлых тела сталкиваются, они не всегда остаются на месте. Чёрные дыры при слиянии получают мощный пинок — как отдача от выстрела, только вместо пороха работает искривление пространства. Этот пинок может выбросить новую дыру из центра галактики или даже за её пределы.

Спектр гамма-излучения похож на частокол: каждая линия — это точная энергия, которую ядро отдало фотоном. Но иногда в этом частоколе появляются «призраки» — слабые линии, сдвинутые на одну и ту же величину от основных. Такой сдвиг может означать, что часть энергии ушла на рождение лёгкой частицы, которую мы пока не умеем видеть напрямую.

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.

В середине XX века астроном Вера Рубин обнаружила, что звёзды на окраинах галактик движутся слишком быстро — их удерживает невидимая масса.

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.

Пуля, которая пробивает не одну мишень, а оставляет след сразу в нескольких слоях брони. Примерно так ведёт себя сверхтяжёлая тёмная материя, которую впервые искали в детекторе DarkSide-50. Обычные кандидаты в тёмную материю — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) — проходят сквозь вещество почти незаметно, изредка сталкиваясь с ядрами.

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.

Мюон — это как электрон, только в 200 раз тяжелее. Когда он останавливается в куске кремния, его затягивает в атомное ядро, как магнит затягивает гвоздь. Ядро получает лишнюю энергию и начинает «вскипать»: из него вылетают разные частицы — протоны, дейтроны, тритоны и альфа-частицы.

В сердце каждой галактики дремлет сверхмассивная чёрная дыра — гравитационный колосс в миллионы солнечных масс. Когда она активно пожирает вещество, её окрестности разогреваются до чудовищных температур и полыхают на всю Вселенную — это называют активным ядром галактики.

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.

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.