квантовая хромодинамика

Карта плотной ядерной материи напоминает карту дорог: линии фазовых переходов пересекаются в критических точках, как трассы в перекрёстках. До сих пор на такой карте находили два перекрёстка: ядерный жидкость-газ и деконфайнмент, где адроны распадаются на кварки.

Тонкая плёнка нитрида циркония лежит на подложке из оксида магния. Толщина — две десятых микрона, как у паутинки, но внутри кипит квантовая жизнь. При охлаждении до полукельвина сверхпроводимость в ней не исчезает сразу: она распадается на редкие островки, которые ещё держатся среди беспорядка.

Графен — двумерный кристалл углерода толщиной в один атом — способен менять свои магнитные свойства подобно тому, как вода меняет агрегатное состояние: то течёт жидкостью, то застывает льдом.

Чёрная дыра — это область пространства-времени, где гравитация столь сильна, что даже свет не может её покинуть. Но в её окрестностях, помимо обычного вещества, может существовать нечто неуловимое: скалярное поле — гипотетическое поле, описывающее тёмную материю через квантовые частицы с нулевым спином.

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.

В июне 2024 года радиотелескоп CHIME зарегистрировал от источника FRB 20240114A более 700 радиовсплесков в час. Такой гипер-активный репитер за час выплёскивает почти всю магнитную энергию обычного магнетара (нейтронная звезда со сверхсильным полем).

В микромире сильного взаимодействия — самого мощного клея природы — кварки никогда не гуляют в одиночку. На больших расстояниях они слипаются в знакомые нам протоны и нейтроны. Но при экстремальном сжатии, как в недрах нейтронной звезды, этот клей создаёт куда более причудливые формы материи.

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.

Нейтронные звезды — космические объекты невообразимой плотности: представьте, что столовая ложка их вещества весит больше, чем гора Эверест. Долгое время оставалось загадкой, что скрывается в их недрах: обычное нейтронное вещество, подобное гигантскому атомному ядру, или экзотическая кварковая материя, где частицы уже не связаны в нейтроны.

В недрах массивной нейтронной звезды, где чайная ложка вещества весит, как гора, кварки стиснуты до немыслимой близости.

Ядра атомов далеко не всегда напоминают бильярдные шары — эту аналогию мы используем лишь для простоты. В реальности одни ядра вытянуты подобно сигарам, другие сплюснуты, как диски. А у ксенона-129 форма оказалась похожей на картофелину — это бугристый трёхосный эллипсоид, то есть фигура, у которой все три оси имеют разную длину.

Внутри нейтронной звезды материю сдавливают так, что атомные ядра перестают быть отдельными комочками. Нейтроны и протоны приближаются друг к другу, и их внутренности — кварки — начинают чувствовать соседей сквозь стенки своих «мешков». Нейтронная звезда — это шар радиусом с небольшой город, но массой как полтора Солнца. Чайная ложка её вещества весит миллиарды тонн.

Внутри протона кипит жизнь. Кварки там не просто сидят — их склеивают частицы-переносчики, глюоны (от слова glue — клей). Обычно этот клей равномерно размазан, как масло по сковороде. Но когда энергии становятся огромными, глюоны начинают сбиваться в комки. Это и есть глюонный конденсат — сверхплотное состояние клеящего поля.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро схлопывается под собственной тяжестью. Внутри образуется чёрная дыра — область, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может выбраться. Долгое время считалось, что в самом центре скрывается точка бесконечной плотности — сингулярность.

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.

Иногда в уравнениях заводится лишнее — как скрипучая половица, которая не даёт покоя всему дому. В теории гравитации, если добавить в уравнения квадраты кривизны (а это нужно, чтобы описать очень сильные поля), появляется частица-призрак — тяжёлая, но с отрицательной энергией.

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.

Если попробовать разломить протон и вытащить из него кварк, вас ждёт сюрприз. Обычные силы, вроде электрической, слабеют, когда частицы разлетаются. А здесь — наоборот. Чем дальше кварк от своих соседей, тем сильнее его тянут обратно.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так же ведут себя глюоны — частицы-переносчики сильного взаимодействия внутри протонов. Обычно они снуют туда-сюда, удерживая кварки вместе.

Сверхпроводник — это материал, по которому ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но чтобы труба стала идеальной, её нужно охладить до очень низкой температуры. Физики давно ищут способы сделать такую трубу при температуре потеплее, и одна из подсказок — квантовая критическая точка.

В тёмной комнате вспыхивает невидимая лампа. Её свет не похож на привычный: у него нет постоянной яркости, только редкие, но мощные всплески. Это яркий сжатый вакуум — состояние света, в котором нет обычной волны, но есть сильные квантовые флуктуации. Именно таким светом физики обстреляли атомы ксенона. Каждый всплеск выбивает из атома электрон.

Вода в чайнике закипает при ста градусах, но если её сильно сжать, она поведёт себя иначе. Примерно так же кварки и глюоны — кирпичики, из которых сложены протоны и нейтроны, — меняют свои свойства в сильном магнитном поле.

Магнетар — это нейтронная звезда с магнитным полем в сотни миллионов раз сильнее, чем у Земли. Если поднести к такому полю обычный магнит, он мгновенно размагнитится, а атомы вытянутся в тонкие нити.

Внутри каждого протона и нейтрона кипит невидимая работа: глюоны — частицы-переносчики сильного взаимодействия — склеивают кварки в единое целое. Это поле можно сравнить с резиновыми жгутами, которые не дают кваркам разлететься.

Электроны в проводнике ведут себя как толпа на эскалаторе: каждый сам по себе, но вместе создают поток. Если заставить их кружить по кольцу, их угловой момент (мера вращения) может связаться с магнитным полем, как шестерёнки в часах.

Внутри некоторых материалов электрический ток течёт без малейшего сопротивления. Это сверхпроводники, и они работают только при сильном холоде. Оксиды меди — особый случай: они сохраняют сверхпроводимость при температурах повыше, но почему — загадка уже сорок лет.

Через десять микросекунд после Большого взрыва Вселенная напоминала кастрюлю с кипящим бульоном. В нём плавали кварки и глюоны — частицы, из которых позже соберутся протоны и нейтроны. Бульон остывал, и в какой-то момент кварки слиплись в комочки — те самые протоны и нейтроны, из которых состоит всё видимое вещество.

Нейтрино — самые неуловимые из известных частиц. Каждую секунду сквозь ваше тело пролетают триллионы нейтрино от Солнца, но вы этого не замечаете: они почти не взаимодействуют с веществом. Чтобы поймать хотя бы одно, физики строят гигантские детекторы — бассейны с водой или жидким аргоном глубоко под землёй.