пион

Горсть песка в кулаке: песчинки упираются друг в друга, и дальше рука не сжимается. Обычное вещество ведёт себя похоже. Но в нейтронной звезде сжатие в миллиарды раз сильнее — атомы раздавлены, электроны вжаты в протоны, и почти всё пространство заполнено нейтронами. Однако это не просто плотная упаковка шариков.

В тихой комнате можно услышать самый слабый шёпот. Так и в атоме водорода — самом лёгком из всех — легче заметить незваного гостя. Этим гостем может быть Z'-бозон, частица-посредник новой силы, которую предсказывают многие теории объединения. Стандартная модель уже содержит своего посредника — Z-бозон.

В 21-километровом кольце подмосковного Протвино когда-то планировали разгонять протоны. Сегодня та же труба могла бы принять совсем другую машину — мюонный коллайдер. Мюон — тяжёлый родственник электрона, и в этом его сила. Электрон на вираже кольца излучает как прожектор, теряя драгоценную энергию. Мюон излучает в миллиард раз слабее.

Представьте зеленый луч, который, проходя через хитроумную оптическую схему, скручивается в трёхмерную воронку света — оптический вихрь. В его сердце, словно в глазу урагана, интенсивность падает до нуля. Именно там фотоны исчезают.

На ускорителях, сталкивая тяжёлые ядра, физики ненадолго создают кварк-глюонную плазму — состояние вещества, где кварки и глюоны не заперты внутри частиц, а свободны. Долгое время её представляли газом, но эксперименты показали: это почти идеальная жидкость. Частицы в ней движутся согласованно, как молекулы в мёде.

Идеально отлаженный оркестр, где каждый инструмент настроен с безупречной точностью, пытается играть в шумном зале. Этот шум — квантовая гравитация, рябь пространства-времени на микроуровне. Она постоянно норовит сбить музыкантов. Аксионы, частицы-кандидаты на роль тёмной материи, и есть та самая музыка.

Две нейтронные звезды — остатки погибших светил, сжатые до размеров города, но весом с целое Солнце — кружатся друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. В этот миг рождается нечто среднее между чёрной дырой и сверхмощным магнитом: поле в миллиарды раз сильнее, чем в самом мощном магнитно-резонансном томографе.

Капля жирных сливок в стакане молока. Если взболтать, жир не размажется равномерно — он соберётся в более плотные сгустки, которые движутся иначе, чем остальная жидкость. Примерно так же ведут себя кварки внутри мезонов — крошечных частиц, живущих ничтожные доли секунды. Мезон состоит из кварка и антикварка, и они редко бывают равноправны.

Вселенная полна невидимого вещества, которое управляет движением галактик. В 1970-х астроном Вера Рубин показала: без тёмной материи звёзды на окраинах давно разлетелись бы. Но из чего она состоит, неизвестно.

На первый взгляд атомное ядро — это тесная коммуналка, где протоны и нейтроны (их вместе называют нуклонами) живут по строгим правилам. Каждый занимает свою орбиту, как электроны в атоме, и в среднем всё выглядит упорядоченно.

Два ядра олова сталкиваются на скорости около двух третей скорости света. На мгновение возникает горячее плотное облако, из которого во все стороны разлетаются протоны. Если поймать пары протонов и измерить, насколько часто они вылетают в одном направлении, можно вычислить размер этого облака.

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.

Термоядерный синтез — слияние протона и ядра бора-11 — сулит почти идеальный источник энергии: без потока опасных нейтронов, лишь поток заряженных частиц, который можно напрямую преобразовать в электрический ток. Но здесь встаёт фундаментальная проблема кулоновского барьера.

Внутри каждого атома живёт протон. Долгое время его считали вечным, как саму материю. Но теории, объединяющие все силы природы, предсказывают: рано или поздно протон распадётся. Вопрос лишь в том, сколько ждать. В японском детекторе Super-Kamiokande — гигантском баке с чистейшей водой — физики искали следы такого распада.

В двойной системе Cygnus X-3, расположенной в нашей Галактике, чёрная дыра и звезда-гигант обращаются настолько тесно, что звезда теряет вещество: его уносит мощный звёздный ветер. Из окрестностей чёрной дыры бьют релятивистские струи — узкие потоки плазмы, разогнанные до околосветовых скоростей.

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.

Протон — не сплошной шарик. Его заряд, масса и другие свойства распределены в пространстве по-разному, и у каждого свойства свой радиус. Физики давно умеют измерять, где сосредоточен заряд протона и где его масса. Теперь они добрались до ещё одной характеристики — барионного числа, то есть числа, которое показывает, сколько тяжёлых частиц (барионов) участвует в процессе.

Когда быстрый протон врезается в ядро атома, на мгновение рождаются новые частицы. Одна из них — фи-мезон: короткоживущий сгусток материи, который распадается на пару электрон-позитрон. Поймать этот распад — всё равно что услышать эхо далёкого взрыва: сам взрыв уже закончился, но его след ещё летит.

Каждый раз, когда дейтерий и тритий сливаются в термоядерном реакторе, вылетает быстрый нейтрон. Он может превращать одни вещества в другие — например, создавать ценные изотопы для медицины. Сегодня такие нейтроны стоят баснословно дорого, потому что экспериментальных установок мало и работают они редко.

В столкновениях тяжёлых ядер рождается огненный шар из тысяч частиц. Среди них — пионы и каоны, два вида лёгких частиц, которые очень похожи друг на друга. Чтобы понять, что происходит в этом огненном шаре, физикам нужно точно знать, сколько каких частиц вылетело.

В Большом адронном коллайдере сталкивают не только протоны, но и целые ядра атомов. При ударе двух ядер на огромной скорости возникает крошечный объём раскалённой материи — настолько горячей, что протоны и нейтроны в нём плавятся и превращаются в «суп» из кварков и глюонов. Через этот суп, как через густую среду, продираются быстрые частицы.

В 2010-х физики, работающие на Большом адронном коллайдере, научились создавать в лаборатории вещество, которое в обычном мире не встречается.

Ядро атома — не твёрдый шарик, а капля жидкости, которую можно сжать. Чтобы понять, насколько она упругая, физики разгоняют ядра золота и бьют их друг о друга. При ударе вещество сжимается до плотностей, как в нейтронной звезде, а затем разлетается. По форме этого разлёта можно судить о свойствах материи внутри.

На Большом адронном коллайдере физики разгоняют протоны почти до скорости света и сталкивают их. Обычно в таких столкновениях участвуют сами протоны, но иногда они пролетают рядом, не задевая друг друга, а взаимодействуют их электрические поля. Эти поля можно представить как облака из фотонов — частиц света, которые окружают каждый протон.

В первые мгновения после Большого взрыва пространство вскипело. Перегретая субстанция, пронизывающая мир, порождала гигантские пузыри новой фазы — подобно тому, как жидкость рождает пузыри пара при закипании. Сталкиваясь, эти пузыри разгоняли частицы до энергий, немыслимых в земных ускорителях.

Представьте мост через реку, у которого вырвана середина: машины на том берегу — неожиданность. Так астрономы долго смотрели на чёрные дыры с массой от 50 до 130 солнечных: звёзды, способные их породить, взрываются как сверхновые парной нестабильности.

Снежинка, падая из облака, выбирает между левой и правой формой. Разница между ними почти неощутима, как дуновение ветра, но именно оно решает, какой узор вырастет. В мире элементарных частиц такое дуновение создаёт слабое взаимодействие — единственная из четырёх фундаментальных сил, которая нарушает зеркальную симметрию.