масса протона

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.

Когда частица ψ(2S) распадается на протон и антипротон, одновременно действуют два фундаментальных механизма: сильное взаимодействие, которое, как клей, удерживает кварки внутри адронов, и электромагнитное, которое, подобно свету, описывает взаимодействие заряженных частиц.

Протонный пучок, направленный в опухоль, проходит сквозь мягкие ткани, как нож сквозь масло, но его пробег зависит от мельчайших свойств воды, из которой мы в основном состоим. Вода — главный компонент тела, и от того, насколько быстро протоны в ней тормозятся, зависит, где именно они отдадут свою энергию.

В центре каждого атома есть ядро — плотный шар из протонов и нейтронов. Эти частицы не толпятся как попало, а заполняют строгие энергетические уровни, похожие на этажи в небоскрёбе. Когда какой-то этаж заполнен до отказа, ядро становится особенно устойчивым — физики называют это магическим числом. Самое тяжёлое из таких чисел в стабильных ядрах — 126 нейтронов.

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.

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.

Шумный вокзал в час пик. Тысячи людей спешат, голоса сливаются в гул. И где-то в этой толпе два человека пытаются пожать друг другу руки особым, едва заметным жестом. Заметить такое рукопожатие почти невозможно.

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.

Обычный дождемер собирает воду в ведро и показывает общий объём осадков. А новый прибор — как чуткая ладонь, ощущающая каждую упавшую каплю и ведущая им счёт, даже когда капель становится несколько тысяч. Именно такой прибор построили физики. Они научились точно подсчитывать фотоны — мельчайшие порции света — в очень слабых лазерных вспышках.

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.

Внешняя корка нейтронной звезды похожа на слоёный торт, где каждый слой — строго определённый сорт начинки. Это кристаллическая решётка из атомных ядер, погружённая в море электронов. Чем глубже, тем сильнее давление — и тем тяжелее ядра, которые могут там существовать, не разваливаясь.

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.

Крошечные магнитики внутри атомов — ядерные спины — в холодном кристалле могут «застыть» на долгие минуты. Это мешает быстрой настройке квантовых датчиков: слишком медленно всё приходит в нужное состояние. Физики нашли способ подтолкнуть их светом.

Многоэтажный дом, где на каждом этаже живут протоны и нейтроны. Этажи — это энергетические уровни, и обычно между шестым и следующим за ним этажом есть лестничный пролёт определённой высоты — так называемая щель. В ядре атома кислорода-20 эта щель играет роль барьера, который трудно преодолеть частицам.

В детекторе LHCb, где сталкиваются протоны, среди миллиардов распадов нашёлся один необычный след. Частица, которую назвали $$D_{s1}$$(2933)^+, появляется на миг и тут же рассыпается на другие частицы. Её жизнь настолько коротка, что напрямую увидеть её нельзя — только по продуктам распада можно восстановить, что она была.

Чтобы измерить истинный размер протона, физики заменили электрон в атоме водорода на его тяжёлую копию — мюон, частицу того же семейства лептонов, но в 207 раз массивнее. Мюон, словно лупа с тысячекратным приближением, подходит к ядру вплотную и «ощупывает» протон с недоступной ранее точностью.

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.

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.

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.

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.

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.

Две частицы, разлетевшиеся в противоположные стороны, ведут себя как единое целое: измерение одной мгновенно определяет состояние другой. Такая квантовая запутанность давно известна для лёгких частиц, но теперь её впервые увидели у тяжёлых Z-бозонов — переносчиков слабого взаимодействия.

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.

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 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.

Столкновение на огромной скорости выбило нейтрон из ядра гелия-8, и на мгновение возникло ядро гелия-7 — как перегруженная полка, с которой слетели сразу три книги. Этот мимолётный «звук» распада удалось записать впервые: три нейтрона разлетелись, оставив после себя обычное ядро гелия-4.

Две команды радиотелескопов навели антенны на два облака газа: одно — в самом центре Млечного Пути, другое — в его спокойных окраинах. В обоих облаках есть молекулы метанола — это спирт, который в космосе работает как крошечный маятник: он поглощает и излучает радиоволны на строго определённых частотах. Эти частоты зависят от того, насколько протон тяжелее электрона.

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.

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.

Когда на поверхности нейтронной звезды — сверхплотного остатка погибшей звезды — накапливается вещество, происходит взрыв, похожий на гигантскую термоядерную бомбу. В этом аду за секунды рождаются ядра элементов, которых нет на Земле. Чтобы понять, какие именно, нужно знать их массы с огромной точностью.

Задолго до этого Фриц Цвикки предсказал, что после взрыва сверхновой рождается крошечная, но чрезвычайно плотная нейтронная звезда — объект размером с город, где вещество сжато так, что атомные ядра теснятся вплотную.

Протон нельзя увидеть как простой шарик. Если ударить по нему фотоном, он может поглотить энергию и перейти в возбуждённое состояние — как колокол, который начинает звенеть на определённой частоте после удара. Эти состояния называют нуклонными резонансами, и они живут очень недолго, прежде чем распасться на другие частицы.

Когда два протона сталкиваются на огромной скорости, из точки удара вылетает узкий пучок частиц — струя, похожая на брызги от брошенного в воду камня. В столкновениях тяжёлых ядер свинца всё сложнее: внутри возникает горячее облако, которое мешает струе лететь прямо. Измерение показало: если струя слабая, её путь почти не меняется.

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.

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.

Ночью над сибирской тайгой иногда вспыхивает слабый голубой свет. Это не северное сияние, а космический ливень: одна частица из далёкого космоса врезается в атмосферу и рассыпается на миллионы вторичных частиц. Они летят к земле широким фронтом, как волна от брошенного в воду камня, и заставляют воздух светиться. Установки «Тунка-133» и TAIGA-HiSCORE семь лет следили за такими вспышками.