протон

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.

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.

Чтобы определить радиус протонного облака в атомном ядре, физики используют метод, основанный на столкновениях нестабильного ядра-снаряда с ядром-мишенью. В процессе такого взаимодействия ядро-снаряд может потерять один или несколько протонов. Чем больше ядро-снаряд, тем выше вероятность того, что оно заденет ядро мишени и потеряет частицы.

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 тесной шеренге атомов, замерших на расстоянии меньше длины световой волны, прячется удивительное состояние. Возбуждение распределено по всем частицам так, что их излучение гасит само себя — это субизлучательное состояние, коллективная квантовая «тишина».

Тайна главного излома в спектре галактических космических лучей — колена при 3 ПэВ — хранилась почти век. Ещё в 1930-х Фриц Цвикки предположил, что частицы разгоняются ударными волнами сверхновых, но лишь точные данные наших дней позволили заглянуть за кулисы.

Сразу после Большого взрыва в космосе могли плавать сгустки весом в триллион солнц и с электрическим зарядом колоссальной силы — как триллионы наэлектризованных шариков.

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.

В раскалённой плазме новорождённой Вселенной, когда само пространство ещё звенело эхом Большого взрыва, могли возникнуть объекты, бросающие вызов самой гравитации. Не привычные чёрные дыры — электрически заряженные исполины, астроны.

Атомное ядро — не монолитный шарик, а плотный рой крошечных частиц, кварков, склеенных особым клеем (сильным взаимодействием). В лёгких ядрах, вроде кальция, этот рой устроен просто: число двух сортов кварков — верхних и нижних — почти одинаково, как число белых и чёрных клавиш в октаве.

Водород — самый простой атом: один протон и один электрон. Казалось бы, что тут изучать? Но именно на нём физики проверяют самые тонкие законы микромира. Электрон в атоме может находиться на разных энергетических уровнях, как на ступеньках лестницы.

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.

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.

Свет, закрученный в одну сторону, падает на протон. Частица может поглотить фотон или оттолкнуть его — и это зависит от того, как направлен её собственный спин, крошечный внутренний волчок.

Если ядро атома — это семья, то в доме обычного гелия живут два протона и два нейтрона, крепко держась за руки. А теперь представьте, что один из членов семьи — чудак, который любит гулять далеко от дома.

Столкновение двух свинцовых ядер на Большом адронном коллайдере — это как бросить друг в друга два увесистых мешка с шариками. Обычно шарики разлетаются во все стороны, но иногда один мешок пролетает так близко, что шарики не сталкиваются, а лишь обмениваются взглядами.

Внутри Солнца каждую секунду идут невидимые ядерные превращения. Одно из них — рождение бора-8: ядро бериллия-7 ловит пролетающий протон и на мгновение становится новым элементом. Этот шаг запускает цепочку, которая заканчивается вылетом нейтрино — частицы, способной пролететь сквозь Землю насквозь.

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.

Ядро атома не всегда круглое. Оно может вытягиваться, как дыня, или сплющиваться, как тыква. И от этой формы зависит его размер — как от формы теста зависит размер пирога. Учёные рассчитали форму и размеры ядер изотопов берклия — тяжёлого элемента, который получают в реакторах. Оказалось, что сплюснутые ядра больше вытянутых при одинаковой степени деформации.

В кристалле оксида цинка спрятан квантовый дуэт: атом олова и атом лития, сидящие рядом. Их связь настолько тесна, что электрон, захваченный этой парой, словно живёт на олове, а литий лишь подыгрывает. Такой комплекс долго искали, но только теперь его удалось создать намеренно и опознать по характерному свечению. Электрон здесь не просто крутится вокруг ядра — его спин крепко сцеплен со спином ядра олова.

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.

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.

Внутри топливного элемента протоны должны быстро бежать сквозь твёрдый материал, как пассажиры сквозь турникеты в час пик. Если турникеты редкие и узкие — ток слабый. Раньше, чтобы найти материал с хорошей протонной проводимостью, химики перебирали соединения почти вслепую, по одному.

Словно гонщики на длинной дистанции, ядра атомов — от лёгкого гелия до тяжёлого железа — мчатся к нам через всю Галактику. На финише, в детекторе на высотном аэростате, видно: тяжёлые ядра приходят чуть более вымотанными, чем лёгкие. Разница небольшая, но она повторяется от запуска к запуску.

В потоке заряженных частиц, летящих к нам из глубин Галактики, железо оказалось белой вороной. Прибор ATIC-2, поднятый на воздушном шаре над Антарктидой, сравнил, как меняется с энергией доля ядер от серы до хрома относительно железа. До энергии примерно 80 ГэВ на нуклон всё шло как по учебнику: чем выше энергия, тем меньше тяжёлых ядер по сравнению с железом.

Высоко над ледяным щитом Антарктиды двадцать дней висел воздушный шар с детектором. Он ловил крошечные частицы, которые миллионы лет летели к нам от далёких звёздных взрывов. Теперь учёные разобрали его улов и рассказали, сколько энергии несли протоны и ядра разных элементов. Оказалось, что не все частицы одинаковы.