скорость реакции

Когда массивная звезда взрывается как сверхновая, в её недрах за считанные секунды синтезируются тяжёлые ядра. Среди них — титан-44, радиоактивный изотоп, который затем годами испускает гамма-лучи. Количество оставшегося титана-44 зависит от одной ядерной реакции: протон захватывается ядром ванадия-45, превращая его в хром-46.

В 1976 году физики предсказали: электрон может не просто пролететь мимо ядра, а врезаться в него и передать энергию, заставив ядро «вздрогнуть». Эффект назвали NEEC — ядерное возбуждение путём захвата электрона (Nuclear Excitation by Electron Capture). Но за почти пятьдесят лет его так и не смогли увидеть в эксперименте.

Представьте горный перевал, соединяющий две долины. В одной долине белок пребывает в свёрнутом, функциональном состоянии, в другой — в развёрнутом, хаотичном. Чтобы перейти из одной формы в другую, молекуле необходимо преодолеть седловину — наивысшую точку на энергетическом ландшафте.

Фотовспышка, срабатывающая за тысячную долю секунды, не нагревает объект — в отличие от обычной, которая длится целую секунду. Похожий фокус обнаружили в радиотерапии: когда дозу облучения выдают не за минуты, а за миллисекунды, здоровые ткани страдают меньше. Это назвали FLASH-эффектом.

Когда биологи измеряют активность тысяч генов одновременно, традиционный анализ обычно выявляет лишь корреляции — пары генов, чья экспрессия меняется согласованно, подобно двум ингредиентам в супе, которые часто встречаются вместе. Стандартный метод фиксирует такие парные совпадения, но не способен указать направление влияния: кто из этой пары ведущий, а кто ведомый.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая кузница, где за секунды выковываются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. В 2017 году детекторы уловили гравитационные волны от такого слияния, а телескопы увидели вспышку — килоновую.

Когда две сверхплотные звезды кружатся в тесном танце, пространство вокруг них дрожит. Эту дрожь — гравитационные волны — ловят гигантские детекторы на Земле. Но расшифровать сигнал непросто: нужно понять, с чем именно мы столкнулись — с парой чёрных дыр или нейтронных звёзд.

Глубоко под землёй, в толще гранита, детекторы ловят редких гостей из космоса — мюоны. Эти частицы рождаются высоко в атмосфере, когда космические лучи врезаются в ядра воздуха. Долететь до подземной лаборатории им помогает огромная скорость, близкая к скорости света.

Маятник, который почти ничто не может сбить, не боится ни тряски, ни тепла, ни магнитных полей — потому что спрятан в самой сердцевине атома. Именно такой маятник использовали физики, впервые запустив ядерные часы. Раньше лучшие часы — оптические — работали на переходах электронов. Но электроны живут на периферии атома, как бабочки на ветру: любое внешнее воздействие их тревожит.

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.

Качели раскачиваются, только если толкать их в такт. Чуть собьёшься с ритма — и усилия пропадают даром. Примерно так же свет взаимодействует с атомным ядром: обычно фотон поглощается, лишь когда его энергия точно совпадает с разницей между ядерными уровнями. Но что делать, если энергия фотона не подходит? Авторы новой работы нашли обходной путь.

Архивные фотопластинки из астрономического обзора неба 1950-х годов содержали детективную загадку: на снимках периодически возникали таинственные вспышки. Первой уликой стало совпадение этих вспышек с днями проведения атмосферных ядерных испытаний.

Внутри Солнца каждую секунду идут невидимые ядерные превращения. Одно из них — рождение бора-8: ядро бериллия-7 ловит пролетающий протон и на мгновение становится новым элементом. Этот шаг запускает цепочку, которая заканчивается вылетом нейтрино — частицы, способной пролететь сквозь Землю насквозь.

Обычный ядерный реактор похож на котёл, где топливо сгорает равномерно по всему объёму. Здесь другая картина: по цилиндрическому стержню из карбида урана медленно ползёт волна деления — узкая зона, где атомы расщепляются и выделяют тепло. Впереди волны топливо ещё не тронуто, позади — уже отработало. Так огонь бежит по фитилю свечи, оставляя за собой воск.

Когда два атомных ядра сталкиваются, результат зависит от их энергии и угла разлёта осколков. Обычно такие расчёты требуют огромных вычислительных мощностей, а точность упирается в приближения. Авторы предлагают иной путь: перенести задачу на квантовый компьютер, который естественно описывает квантовую механику. Идея проста, как игра в бильярд.

В тёмной камере, где температура лишь на четыре градуса выше абсолютного нуля, лежит кристалл сапфира размером с рисовое зерно. Когда сквозь него пролетает нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещество, — кристалл вздрагивает и нагревается на ничтожную долю градуса. Этот тепловой отклик ловят сверхчувствительные датчики на краях кристалла.

В недрах умирающей звезды перед взрывом сверхновой идут ядерные реакции, которые определяют, какие химические элементы разлетятся по космосу. Одна из таких реакций — столкновение ядра кислорода с протоном, после которого рождается ядро азота и альфа-частица (ядро гелия).

В ядре атома золота прячется будущее лекарство от рака. Если ударить по золотой мишени гамма-лучом с энергией около 30 мегаэлектронвольт, одно из ядер теряет протон и нейтрон и превращается в редкий изотоп платины — платину-195m.

Ядро атома ксенона-133 живёт всего несколько дней, а затем распадается. Сделать из него тонкую плёнку-мишень и обстреливать частицами не выйдет: плёнка исчезнет быстрее, чем её изготовят. Поэтому физики поступили наоборот — разогнали ядра ксенона-132 и направили их на мишень из дейтерия (тяжёлого водорода).

Внутри атомного ядра частицы не свалены как попало. Иногда два протона и два нейтрона сбиваются в тесную четвёрку — такой мини-коллектив называют альфа-кластером. Он напоминает семью, которая в многолюдном доме держится вместе. Выбить эту четвёрку из ядра и посмотреть, как она там жила, — задача для быстрого протона. В новом опыте протон разгоняли до 392 мегаэлектронвольт и направляли в ядро кальция-40.

В холодных разреженных облаках космоса частицы встречаются редко, но иногда ион и нейтральная молекула пролетают достаточно близко, чтобы слипнуться. При этом они испускают свет — как приглушённая вспышка, уносящая лишнюю энергию. Этот процесс называют радиативной ассоциацией, и он отвечает за появление многих молекул в межзвёздном пространстве.

Алюминий-26 — это изотоп, который живёт недолго по космическим меркам: всего около миллиона лет. Когда массивная звезда взрывается как сверхновая, она выбрасывает этот алюминий в космос. Позже он распадается, испуская гамма-лучи, которые можно поймать телескопами.

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.

Когда нейтрон врезается в ядро, он может выбить из него кусок — альфа-частицу, то есть ядро гелия. Такие столкновения происходят в ядерных реакторах постоянно, но точно измерить их трудно: нейтрон не оставляет следа в обычном детекторе, а поймать его можно только по последствиям. В этой работе физики наполнили камеру углекислым газом и пустили туда пучок нейтронов.

Чтобы два атомных ядра слились, необходимо преодолеть их яростное электрическое отталкивание — кулоновский барьер, словно свести двух разъярённых быков. В обычных условиях помогает лишь чудовищная энергия, как в звёздных ядрах, где ещё в 1930-х годах Ганс Бете объяснил механизм термоядерного синтеза.

Воздушный шар ATIC поднялся над Антарктидой и поймал частицы, которые старше самой Земли. Среди них — ядра атомов от серы до хрома, и чем выше их энергия, тем больше их доля по сравнению с железом. Стандартная модель «дырявого ящика» предсказывала обратное: тяжёлые ядра должны были растворяться, как соль в воде. Но данные упрямо росли.

В потоке заряженных частиц, летящих к нам из глубин Галактики, железо оказалось белой вороной. Прибор ATIC-2, поднятый на воздушном шаре над Антарктидой, сравнил, как меняется с энергией доля ядер от серы до хрома относительно железа. До энергии примерно 80 ГэВ на нуклон всё шло как по учебнику: чем выше энергия, тем меньше тяжёлых ядер по сравнению с железом.