загадка спина протона

Протон — не цельный шарик, а крохотная тюрьма. Внутри неё заперты три кварка, и вырваться им не даёт глюонное поле — что-то вроде невидимых нитей, которые становятся только крепче, если кварки пытаются разойтись.

Магнитное поле в 42 тесла — примерно в миллион раз сильнее поля Земли. В таком поле кристалл SrCu₂(BO₃)₂ ведёт себя необычно: его намагниченность растёт не плавно, а скачками, замирая на определённых значениях. Раньше считалось, что такие плато возникают, когда спины электронов (их крошечные магнитные стрелки) выстраиваются по строгому геометрическому узору — как солдаты в строю.

В сердце квантового компьютера будущего может оказаться крошечная органическая молекула, похожая на треугольник. У неё есть два «лишних» электрона, которые не находят себе пару. Такие молекулы называют дирадикалами, и их электроны способны хранить информацию особым, квантовым способом.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, не слушая других. Вдруг, без видимого приказа, соседи по пульту начинают идеально синхронизироваться, но общей мелодии ещё нет. Нечто подобное происходит в некоторых материалах при охлаждении: электроны теряют энергию, словно готовясь к сверхпроводимости, но так в неё и не переходят.

У каждой квантовой частицы есть спин — собственный момент импульса, внутреннее магнитное свойство, словно крошечная стрелка. В эксперименте пучок таких частиц, пролетая через неоднородное магнитное поле, разделяется на два дискретных пучка — как монетка, выпадающая орлом или решкой.

Волчок размером с город, который весит больше Солнца и делает сотни оборотов в секунду. Это нейтронная звезда — остаток взорвавшегося светила. Иногда её вращение вдруг ускоряется, будто внутри что-то переключилось. Астрономы называют такие скачки глитчами и подозревают, что виной всему невидимые вихри в сверхтекучей начинке звезды. Внутренности нейтронной звезды напоминают слоёный пирог.

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.

Отдельный гравитон — квант пространства-времени — невероятно слаб. Для детекторов вроде LIGO, созданных Райнером Вайссом и коллегами, квантовые эффекты подавлены в 10⁻³⁸ раз: это как пытаться услышать, как упавшая в ураган песчинка меняет направление ветра.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — это спин электрона, его крошечный магнитный момент. Чтобы оркестр играл слаженно, дирижёр должен слышать каждого музыканта отдельно.

Согласно Стандартной модели, вакуум — не пустота, а океан виртуальных частиц-призраков — нейтрино и других частиц, почти не взаимодействующих с веществом. Сверхсильное электромагнитное поле, словно шторм, вырывает пары электронов и позитронов в реальность, преодолевая энергетический барьер их рождения.

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.

Столкновение частиц на огромной скорости рождает целый ливень новых частиц. Среди них — антипротоны, близнецы обычных протонов, только с противоположным зарядом. У каждой такой частицы есть собственное вращение, как у теннисного мяча, посланного с подкруткой. Но закручены ли антипротоны при рождении — до сих пор никто не проверял.

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.

Протон — не цельный шарик, а бурлящее облако из кварков и глюонов. Каждая частица несёт свой кусочек вращения, но если сложить все кусочки, получается не весь спин протона. Часть вращения словно прячется в самых медленных обитателях облака — тех, что несут лишь крошечную долю общего движения.

Кристалл размером с половину спичечного коробка вырастили в печи, где расплавленная зона медленно ползла вдоль стержня, оставляя за собой идеально упорядоченные слои. Внутри этого кристалла ионы меди сидят в узлах треугольной сетки — но треугольники слегка перекошены, как будто кто-то надавил на один угол. Каждый ион меди ведёт себя как крошечная магнитная стрелка, которая может указывать вверх или вниз.

Пучок электронов, закрученный как штопор, врезается в протон. Из точки удара вылетают пары частиц — положительный и нейтральный пионы. Физики впервые измерили, как часто такие пары разлетаются под разными углами, когда спин электрона направлен влево или вправо. Разница в этих частотах — асимметрия — оказалась не нулевой.

Пульсар в Крабовидной туманности мигает как маяк: каждые 33 миллисекунды он посылает радиоимпульс, и так — с точностью атомных часов. Но иногда его вращение сбивается: звезда вдруг чуть ускоряется, будто внутри неё что-то проворачивается. Такие сбои считали случайными, как щелчки метронома, который иногда подталкивают.

Два волчка запускают одновременно и в противоположные стороны. Если один крутится влево, второй всегда крутится вправо — как бы далеко они ни разлетелись. Примерно так устроена квантовая запутанность, только вместо волчков — топ-кварки, самые тяжёлые частицы из известных.

Три тела, притягивающие друг друга по закону всемирного тяготения, — задача, перед которой математика пасует уже три столетия. После Пуанкаре стало ясно: общего решения не существует, а траектории хаотичны. Но внутри этого хаоса есть островки порядка — периодические орбиты, где движение повторяется.