кварк

Когда протон разбивают на части в ускорителе, из него вылетают кварки и глюоны — фундаментальные частицы, из которых состоит материя. Но свободными их не увидеть: почти сразу они слипаются в новые частицы — адроны, как капли ртути собираются в шарики.

Кварки — фундаментальные строительные блоки протонов и нейтронов — обычно собираются в пары (мезоны) или тройки (барионы). Но иногда они образуют более крупные и нестабильные комбинации, которые живут крошечные доли секунды. Две такие частицы, Bs0* и Bs1, долго оставались загадкой: расчёты намекали, что они должны быть связанными состояниями, но точность не позволяла сказать это уверенно.

Когда тяжёлое атомное ядро раскалывается на два осколка, между ними остаётся невидимая квантовая нить. Эта нить — запутанность: состояние одного осколка мгновенно связано с состоянием другого, как будто они всё ещё единое целое. Физики впервые точно рассчитали, насколько длинной и прочной бывает такая нить, проследив за делением ядра шаг за шагом.

На ускорителе в лаборатории Джефферсона пучок фотонов — квантов света — бьёт по протонам, и из столкновений рождаются короткоживущие частицы — омега-мезоны. Они живут меньше миллиардной доли секунды, но успевают рассказать о том, как устроены силы внутри атомного ядра. Физики зафиксировали, под какими углами разлетаются эти мезоны и как они закручены — словно волчок, запущенный в разные стороны.

В первые мгновения после Большого взрыва вещество и антивещество были почти в равных долях. Но что-то нарушило равновесие, и в итоге остался лишь крошечный избыток обычных частиц — тот самый, из которого сложены звёзды, планеты и мы сами.

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.

Протон — не монолитный шарик. Это бурлящее облако из кварков и глюонов, которые постоянно рождаются и исчезают. Описать такую картину помогают функции распределения партонов — они показывают, с какой вероятностью внутри протона встретится кварк или глюон с определённой энергией.

Горсть песка в кулаке: песчинки упираются друг в друга, и дальше рука не сжимается. Обычное вещество ведёт себя похоже. Но в нейтронной звезде сжатие в миллиарды раз сильнее — атомы раздавлены, электроны вжаты в протоны, и почти всё пространство заполнено нейтронами. Однако это не просто плотная упаковка шариков.

Нейтронные звёзды — космические алхимические реторты: при сверхъядерных плотностях адроны плавятся в кварк-глюонную плазму (КГП), а в самом сердце, где давление достигает пика, рождается цветной сверхпроводник (ЦС).

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.

Нейтрино — настоящие призраки микромира. Почти без массы, без заряда, они проходят сквозь планеты, словно через пустоту. Но внутри каждого нейтрино прячется не одна частица, а три — три «аромата» (электронный, мюонный и тау), которые постоянно перетекают друг в друга. Этот танец называют осцилляциями.

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

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.

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.

Конец Вселенной — не просто угасание света. Если тёмная энергия — загадочная субстанция, ускоряющая расширение космоса, — разорвёт его в клочья в сценарии Большого разрыва, или если расширение сменится сжатием, возвращающим всё в точку, подобную Большому взрыву наоборот, наступает сингулярность — момент, где привычная физика отказывает.

В семействе сверхплотных остатков мёртвых звёзд долго зияла пустота. Нейтронные звёзды — стремительные волчки размером с город — редко тяжелее двух Солнц. Чёрные дыры начинаются примерно с пяти солнечных масс. А между ними — «провал», где десятилетиями не могли найти ни одного объекта.

В кристалле нитрида бора идеальная атомная решётка местами нарушена: где-то атома не хватает, где-то его заменяет чужой. Под мощным микроскопом эти крошечные изъяны видны как ловушки для электронов — они захватывают частицы и начинают светиться, а ещё отзываются на магнитное поле.

Если сжать горсть песка до размеров булавочной головки, он превратится в камень. Но если сжать ещё сильнее — до плотности атомного ядра, — песчинки потеряют свою форму. Протоны и нейтроны растворятся, и вещество станет похожим на суп из свободных кварков.

Магнит с одним полюсом — северным, но без южного. Разломите его пополам — и вместо двух обычных магнитов вы получите два таких же однополюсных. В нашем мире подобных частиц пока не нашли, хотя многие теории предсказывают их существование. Эти гипотетические объекты называют магнитными монополями. Авторы работы заметили любопытную связь.

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.

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.

Ядро нейтронной звезды можно уподобить натянутой струне сверхъядерной плотности. Звук, бегущий по ней, — это колебания давления, чья скорость $$c_s$$ выдаёт жёсткость материи. Новое исследование показывает, что эта космическая струна не гудит монотонно.

Обычное вещество состоит из атомов, а атомы — из ядер и электронов. Но в нейтронной звезде гравитация сжимает материю так сильно, что электроны вдавливаются в протоны, и почти всё превращается в плотную упаковку нейтронов. Это похоже на одно огромное атомное ядро размером с город. А что, если сжать ещё сильнее?

Три близнеца на бегу постоянно меняются одеждой. Примерно так ведут себя нейтрино — почти неуловимые частицы, пронизывающие нас триллионами каждую секунду. Они рождаются в ядерных реакциях, например в недрах Солнца, и существуют в трёх вариантах, или «ароматах». Но вот что странно: по пути от источника нейтрино может сменить аромат, превратиться из электронного в мюонный или тау-нейтрино.

Сталь — не монолит, а мозаика из микроскопических зёрен, спаянных друг с другом. Их стыки — границы зёрен — самое уязвимое место: именно здесь начинаются трещины. Атомы примесей, даже в ничтожных количествах, скапливаются на этих стыках, как песок между шестерёнками, и могут либо смазать механизм, либо заклинить его намертво.

Атомное ядро — не бильярдный шар, а скорее туманное облако, которое постоянно меняет очертания. Протоны и нейтроны внутри него находятся в непрерывном движении, и ядро может принимать самые разные формы: быть вытянутым, сплюснутым или похожим на грушу.

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 сжать горсть песка в кулаке, он сначала уплотнится, но потом начнёт сопротивляться — крупинкам уже некуда деваться. В недрах нейтронной звезды происходит нечто похожее, только вместо песчинок — элементарные частицы, а вместо руки — чудовищная гравитация.

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.

Каждую осень зарянка весом с кусочек масла снимается с ветки где-нибудь под Петербургом и летит на юг, к Средиземноморью, ни разу не сверившись с картой. Считается, что в её глазу работает встроенный магнитный компас, и главная деталь этого прибора — белок криптохром 4a.

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.

Два потока машин сталкиваются на перекрёстке. В первые мгновения после удара обломки разлетаются не как попало, а так, будто их на миг окутало общее облако. Примерно это увидели физики на Большом адронном коллайдере, когда протоны врезались друг в друга на огромной скорости.

Капли масла в кипящем бульоне обычно разбегаются, но если столкнуть их совсем медленно, могут на миг слипнуться. Нечто похожее происходит с топ-кварками — самыми тяжёлыми из известных кирпичиков материи.

Кварки — крошечные кирпичики, из которых собраны протоны и нейтроны. Обычно они держатся парами: частица и её зеркальный двойник-античастица. Но иногда кварки образуют более причудливые комбинации, которые физики называют экзотическими. Одну из таких комбинаций — частицу π1(1600) — впервые увидели в распаде очарованного мезона χc1 на детекторе BESIII в Пекине.

Протон кажется цельным шариком, но внутри у него кипит жизнь: кварки обмениваются глюонами — частицами, которые их склеивают. Глюоны то появляются, то исчезают, и их распределение по протону — не просто любопытная деталь, а ключ к предсказаниям на Большом адронном коллайдере.

Тяжёлые частицы, которые физики называют барионами, похожи на крошечные семьи из трёх кварков. Обычные барионы — это протоны и нейтроны, из которых состоит всё вокруг. Но есть и экзотические родственники: в них вместо лёгких кварков живут очарованные или прелестные кварки — тяжёлые и недолговечные.

Если положить каон в электрическое поле, он слегка растянется, как воздушный шарик, который потёрли о шерсть. Этот отклик — электрическая поляризуемость — показывает, насколько жёстко устроена частица внутри. Для заряженного каона её измерили впервые, и число получилось таким: около одной десятитысячной доли объёма, занимаемого протоном.

В столкновениях тяжёлых ядер на коллайдерах рождается кварк-глюонная плазма — состояние материи, где кварки и глюоны свободны, как вода в пару. Тяжёлые кварки, такие как b-кварки, попадая в эту плазму, теряют энергию, и их связанные состояния — боттомонии — разрушаются.

При столкновении тяжелых ядер на ускорителях рождается множество частиц, и физики хотят понять, как в этом хаосе перемещается электрический заряд. Два поезда врезаются друг в друга: пассажиры (кварки) разлетаются, но их багаж (заряд) может оказаться далеко от места крушения.