столкновение протонов

Три бильярдных шара после удара разлетаются по столу — их траектории зависят только от начального толчка. Но в мире атомных ядер всё сложнее: частицы чувствуют друг друга на ходу, даже если не связаны в одно целое. Долгое время физики умели измерять только парные взаимодействия, а что происходит, когда встречаются трое, оставалось за кадром.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной. Её существование выводится из гравитационного влияния на движение звёзд и галактик, но состав этого каркаса остаётся загадкой. Одна из гипотез — сверхлёгкие частицы, напоминающие аксионы. Они почти не взаимодействуют с обычным веществом, однако в редких случаях могут проявлять себя.

В далёкой галактике Сигара действует необычный маяк. Его излучение рождается не в привычном оптическом диапазоне, а в рентгеновском — внутри раскалённой короны вокруг чёрной дыры, поглощающей вещество звезды-компаньона.

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.

Лёд, вода, пар — фазовые переходы, знакомые каждому. Но что происходит, если сжать и разогреть само ядро атома? Теоретики полагают, что протоны и нейтроны в нём «плавятся», высвобождая кирпичики помельче — кварки и глюоны. Получается горячая каша, которую называют кварк-глюонной плазмой.

В глубине детектора Большого адронного коллайдера сталкиваются протоны, и на короткий миг рождается нечто тяжёлое. Оно мгновенно рассыпается на два бозона Хиггса — частицы, которые, как матрёшки, скрывают в себе ещё по две пары b-кварков.

Фейерверк вспыхивает, и одна точка рассыпается сразу четырьмя искрами. Похоже ведёт себя Z-бозон — частица, переносящая слабое взаимодействие, — когда распадается на четыре заряженных лептона (электроны или мюоны). Процесс крайне редкий: на миллион рождений Z-бозона приходится лишь около пяти таких событий.

Хлопок в ладоши сжимает воздух, и он разлетается в стороны — простейший удар. В космосе роль ладоней играют взрывающиеся звёзды: их ударные волны резко сжимают газ и запускают хаотическое перемешивание — турбулентность. Но как именно энергия взрыва переходит в вихри разных размеров, долго оставалось загадкой, ведь разглядеть детали в далёких туманностях очень трудно.

Камень падает в пруд — по воде расходятся круги. Если камень не падает, а проносится над водой с огромной скоростью, от его движения по поверхности бежит прямая волна. Когда она натыкается на плавающее бревно, от места удара снова расходятся круги. Примерно так работает гравитация в новой работе.

Кастрюля с кипящим супом бурлит, и хочется узнать, насколько горячи отдельные капли внутри. Но термометр можно окунуть только с краю, где уже не так бурно. Примерно так же обстоят дела с лазерным термоядерным синтезом: мощный лазерный импульс бьёт в мишень, рождая облако быстрых протонов.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду, и лишь однажды на триллион столкновений рождается пара бозонов Хиггса (частиц, отвечающих за массу всего сущего). В эксперименте CMS физики выслеживали именно такие события.

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.

В детекторе CMS на Большом адронном коллайдере столкнулись протоны, разогнанные почти до скорости света. Среди миллиардов таких столкновений физики искали редкий след: рождение одной тяжёлой частицы, которая тут же разваливается на W-бозон и b-кварк.

В далёкой галактике, на расстоянии, которое свет преодолевает за 11 миллиардов лет, что-то вспыхнуло. Рентгеновский телескоп Einstein Probe заметил короткий, как укол иглы, всплеск — он длился всего несколько десятков секунд. Но самое интересное началось потом: через несколько дней в обычном, видимом свете объект снова плавно засиял ярче.

В огромном ускорителе частицы врезаются друг в друга, и иногда после удара остаются только два фотона — частицы света. Физики умеют предсказывать, как часто это происходит, но их расчёты долго не сходились с тем, что видели детекторы. Каждое уточнение теории меняло ответ, и согласия не было. Авторы новой работы сделали ещё один шаг в точности — добавили в расчёт следующий уровень поправок.

Когда две частицы летят почти с одинаковой скоростью в одном направлении, их сигналы в детекторе сливаются, как два голоса в унисон. Отличить дуэт от солиста — отдельное искусство.

В 2016–2018 годах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе протоны сталкивались с энергией 13 тераэлектронвольт — как если бы две горошины разгоняли до скоростей, при которых их удар рождает целый рой новых частиц.

На Большом адронном коллайдере сталкиваются протоны, и из вспышки рождаются десятки частиц. Среди них могут быть следы редких процессов — например, распад бозона Хиггса на два W-бозона. Но эти частицы разлетаются так быстро, что их следы сливаются в одну широкую струю. Выделить такую струю среди тысяч похожих — всё равно что найти нужную ветку в шумящем лесу.

Возле чёрных дыр и нейтронных звёзд плазма бурлит, как вода в кипящем чайнике. Но в этом «чайнике» нет стенок — только магнитные поля, которые скручиваются и рвутся. В местах разрывов возникают тонкие слои, где магнитное поле пересоединяется, и частицы получают пинок, как сёрфер на волне.

Космические лучи — это частицы, которые прилетают к нам из далёкого космоса. Когда такая частица врезается в атмосферу, она рождает целый ливень из новых частиц — как бильярдный шар, который разбивает пирамиду, и шары разлетаются во все стороны. Чтобы предсказать, каким будет такой ливень, нужно знать, как первичная частица взаимодействует с ядрами атомов воздуха.

Весы с одинаковыми гирьками, но одна чаша всегда перевешивает. В мире элементарных частиц такой перевес называют нарушением CP-симметрии: частицы и их зеркальные двойники (античастицы) ведут себя чуть-чуть по-разному. Именно этот перекос, как считают физики, позволил материи выжить после Большого взрыва, когда материя и антиматерия должны были аннигилировать друг друга.

Свет, отражённый от раскалённого диска вокруг чёрной дыры, может рассказать о ней больше, чем мы думали. Когда диск излучает тепло, часть этого света отражается обратно на диск и рассеивается, приобретая необычное распределение энергии — как будто к обычному свечению добавляется новый компонент, похожий на степенной закон.

Протоны, разогнанные до огромной энергии, врезаются в толстую металлическую плиту — как пули в броню. Внутри металла на мгновение рождается частица J/ψ, которая тут же распадается на два мюона — лёгких родственника электрона. Эти мюоны вылетают из мишени, и детекторы ловят их следы. Учёные сравнили число пойманных мюонов с предсказаниями компьютерной модели.

Кольцевая дорога вокруг Солнца, по которой разгоняются не автомобили, а сгустки материи. Диаметр этой дороги — световые годы: она опоясывает нашу планетную систему по внешней границе, в облаке Оорта, где ещё чувствуется слабое притяжение звезды.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой квантовый вакуум, где спонтанно рождались и почти сразу аннигилировали пары частиц и античастиц — виртуальных «гостей» из физического ничто.

На кухне два луча фонариков проходят сквозь друг друга, не замечая один другого. Свет со светом почти не взаимодействует. Но если разогнать частицы до огромных энергий, два фотона могут столкнуться и родить нечто новое.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются почти со скоростью света. Иногда они не разбиваются, а обмениваются фотонами — частицами света. Эти фотоны могут породить пару: одну частицу, которую детектор видит, и другую, которая улетает незамеченной.

Когда W-бозон (частица-переносчик слабого взаимодействия) распадается на кварк и антикварк, на огромной скорости коллайдера эти два осколка летят почти в одном направлении. Детектор видит не две отдельные частицы, а одну широкую струю — как если бы два бегуна на финише слились в одно пятно на фотоснимке.

Детектор тёмной материи похож на очень чувствительный микрофон, который слушает тишину. Он ловит крошечные толчки тепла — фононы, — которые возникают, когда частица задевает кристалл. Но вместо тишины приборы годами слышат шум: множество слабых сигналов ниже нескольких сотен электронвольт.

Когда два ядра свинца сталкиваются на огромной скорости, на миг рождается облако раскалённой материи — плотнее и горячее, чем в центре Солнца. Сквозь это облако летят струи частиц: узкие, как лазерные лучи, пучки, выбитые ударом. Детектор CMS ловит их следы и показывает, как струи меняются, продираясь сквозь горячий «туман».

В подземном кольце длиной 27 километров протоны разгоняют почти до скорости света и сталкивают лоб в лоб. В точке удара на мгновение возникают условия, какие были в первую триллионную долю секунды после рождения Вселенной. Детектор CMS — многоэтажная машина из кремния, свинца и сверхпроводящих магнитов — ловит обломки этих столкновений.

В 2017 году на Большом адронном коллайдере протоны сталкивались с энергией 5,02 ТэВ. Детектор CMS записывал эти столкновения, и среди миллиардов событий физики выискивали редкий случай: рождение одного-единственного топ-кварка без его античастицы.

В турбулентном воздухе капли не летят по прямой — их швыряет из стороны в сторону, как пылинки в луче света. Физики построили установку, которая следит за каждой каплей размером с десятую долю толщины волоса. Камера снимает их движение, а компьютер восстанавливает траектории. Главная помеха — ложные следы, когда камера принимает блик или отражение за каплю.

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 протоны с ядрами свинца. В момент удара рождаются сотни новых частиц, и некоторые из них вылетают узкими пучками — струями. Внутри такой струи, как в плотном потоке, протоны и нейтроны могут слипаться в более крупные ядра, например в дейтрон — ядро тяжёлого водорода.

Где-то над нашими головами, каждую секунду, в атмосферу врезается протон, разогнанный до энергии, в миллионы раз большей, чем в Большом адронном коллайдере. Он ударяет по молекуле воздуха, и рождается каскад — широкий атмосферный ливень из тысяч частиц.

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

В детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду. Среди этого потока физики выловили восемь событий, в которых после удара возникли сразу две Z-частицы и один фотон.