стандартная модель

Среди обломков столкновений частиц иногда рождаются короткоживущие «гости» — гипероны, частицы, содержащие странный кварк. Один из них, Σ0, живёт меньше одной десятимиллиардной доли секунды и распадается на лету. Поймать его напрямую почти невозможно, но можно заметить следы: он оставляет после себя другую частицу Λ и пару электрон-позитрон.

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.

В 1994–1995 годах на ускорителе LEP (Large Electron-Positron collider) сталкивали электроны и позитроны, рождая Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия, которые почти мгновенно распадались на ливни частиц.

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.

Магнитное поле Земли непостоянно: оно дрожит от солнечного ветра, от далёких гроз, от работы метро. Чтобы заметить эти дрожания, нужен прибор, который сам не дрожит. Физики собрали такой прибор из атомов иттербия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. В обычном газе атомы носятся хаотично, их сигнал размывается за миллисекунды.

Квантовый мир полон сюрпризов: если поменять местами два электрона, их общая волновая функция лишь меняет знак, а если поменять местами два фотона — вообще ничего не происходит. Но есть частицы, которые при обмене местами ведут себя совсем иначе — как будто запоминают, что их переставили.

Морской контейнер — это стальной сейф размером с комнату, набитый товарами. Просветить его рентгеном сложно: толстые стенки и плотный груз глушат лучи. На помощь приходят мюоны — элементарные частицы, которые рождаются высоко в атмосфере при столкновении космических лучей с ядрами атомов и постоянно сыплются на Землю.

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.

Каждую секунду сквозь человеческое тело проходит незримый поток частиц — нейтрино, почти неуловимых посланцев далёких звёзд и земных реакторов. Эти частицы-призраки настолько слабо взаимодействуют с веществом, что пронзают материю, как пуля — туман. Но физики научились устраивать им засаду.

Магнитное поле в этой установке должно быть исключительно однородным — ровным, как поверхность идеального стекла: малейшая рябь смажет полезный сигнал. Инженеры собрали две катушки, которые сами компенсируют поле друг друга снаружи, и упаковали их в три слоя ферромагнитных пластин.

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.

Атомное ядро далеко не всегда обладает идеально сферической симметрией, подобно бильярдному шару. Некоторые ядра вытягиваются, приобретая форму мяча для регби — это квадрупольная деформация, отражающая несферичность второго порядка. Другие же становятся похожими на грушу: один конец ядра заметно толще другого.

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Электронные зоны в кристалле — как струны, каждая со своим тоном. Обычно, если струны настроены просто, без хитрых переплетений, то и звук, рождаемый их совместным движением, остаётся простым. В физике это означает, что топология экситона — связанной пары электрона и дырки — наследуется от топологии электронных зон.

Камень, брошенный в стену, отскакивает. В квантовом мире частица может пройти насквозь, будто стена соткана из тумана. Это квантовое туннелирование — явление, при котором частица преодолевает энергетический барьер, не имея на то классической энергии. Оно зажигает звёзды, работает в микрочипах и даже в клетках нашего тела.

Лазерный луч можно представить как стремительный вихрь, который на мгновение захватывает пролетающий электрон. Пока частица движется сквозь импульс, её спин — собственное вращение, подобное вращению крошечного волчка, — испытывает слабый толчок. После выхода из луча волчок уже не смотрит в прежнюю сторону: он чуть-чуть довернулся.

Сверхчувствительные весы пытаются уловить разницу между двумя почти одинаковыми песчинками. Одна из них — идеальное отражение другой, как в зеркале. В мире элементарных частиц такое зеркальное отражение называют P-чётностью — фундаментальной симметрией, которая, как выяснилось, нарушается в слабых взаимодействиях.

В квантовой механике частицы делятся на два фундаментальных класса: бозоны, которые могут накапливаться в одном и том же состоянии (как фотоны в лазере), и фермионы, подчиняющиеся принципу запрета Паули — они никогда не занимают одинаковое квантовое состояние. Казалось бы, одна нейросеть не может одновременно выучить оба типа поведения.

Обычный лёд превращается в воду при нуле градусов Цельсия. А вещество ядерной плотности — кварк-глюонная плазма — испытывает нечто похожее при температуре около 155 МэВ (примерно два триллиона градусов). Только здесь плавится не кристаллическая решётка, а так называемый кварковый конденсат — вакуумное море, придающее частицам массу.

В квантовом мире частицы иногда ведут себя как акробаты на невидимых канатах. Поле инстантона — это кратковременный вихрь поля, который возникает и тут же исчезает, меняя топологию пространства. Когда фермион (частица вроде электрона) попадает в такой вихрь, его энергия не стоит на месте. Она плавно сползает с одного уровня на другой, словно шарик, катящийся по горке.

При ударе двух атомных ядер рождается крошечный огненный шар — состояние вещества с экстремальной плотностью энергии. Он живёт мгновение, но внутри успевают смениться целые эпохи: сжатие, нагрев, расширение. Физики научились подслушивать этот процесс, и их «микрофоном» стали пары электронов и позитронов — частиц-антиподов, вылетающих из шара на разных стадиях.

Чтобы заглянуть глубже в устройство мира, физики разгоняют электроны и сталкивают их между собой. У обычного электрона есть собственный момент импульса — спин, который можно представить как ось вращения крошечного волчка. В обычном пучке эти оси направлены хаотично.

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.

Квантовая спиновая жидкость — экзотическое состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов (спины) ведут себя подобно жидкости: они непрерывно флуктуируют и не застывают в упорядоченную структуру даже при экстремально низких температурах.

В некоторых квантовых теориях симметрии переплетаются необычным образом — как если бы у замка было два ключа, но поворот одного слегка сдвигал и второй. Такие сцепленные симметрии называют 2-группами. Одна из них — обычная 0-форменная симметрия, действующая на точечные частицы, другая — «линейная» 1-форменная симметрия, отвечающая за протяжённые объекты вроде струн или линий.

Кристалл уран-мышьяк (UAs2) под давлением ведёт себя как дом с двумя комнатами. В одной комнате электроны сидят на месте, в другой — свободно гуляют. При обычных условиях это классический «решёточный Кондо»: тяжёлые, почти неподвижные электроны на орбиталях 5f5/2 окружены морем быстрых электронов проводимости. Возникает плоская зона — словно полка, где скорости электронов почти нет.

Представьте почтовую службу, где курьеры внезапно перестали двигаться. Казалось бы, письма перестанут доходить, и связь между городами прервётся. Но что, если сами конверты вдруг обретут способность менять свою форму и передавать сообщения через общую паутину, не сходя с места? Именно такой неожиданный механизм обнаружили физики в мире квантовых материалов.

В атомном ядре протоны и нейтроны упакованы так плотно, что между ними действуют силы, напоминающие туго натянутые пружины. Одни пружины сжимаются и разжимаются одинаково во все стороны — это привычные центральные силы. Другие, тензорные, ведут себя хитрее: их натяжение зависит от того, как повёрнуты частицы друг относительно друга.

Электрический заряд — величина ускользающая. Мы можем измерить полный заряд Вселенной или заряд отдельной частицы, но попытка указать пальцем: «Вот здесь, в этом кубическом сантиметре, прямо сейчас находится столько-то заряда» — наталкивается на фундаментальное препятствие.

В 1998 году математик Дэвид Бойд заметил странную закономерность. Он изучал меру Малера многочлена — величину, которая измеряет «сложность» его корней, — и обнаружил, что для семейства кривых она всегда выражается через специальное рациональное число, умноженное на значение производной L-функции.

В ядерной физике давно не давала покоя загадка: почему среди элементов легче висмута только технеций (№43) и прометий (№61) не имеют ни одного стабильного изотопа — разновидности атома с тем же числом протонов, но другим числом нейтронов? Все их соседи по таблице Менделеева могут похвастаться хотя бы одним долгоживущим вариантом, а эти два словно выпадают из общей закономерности.

Спустя долю секунды после Большого взрыва Вселенная представляла собой раскалённый бульон из частиц и античастиц. Согласно известным законам физики, они должны были полностью аннигилировать, оставив лишь пустоту. Однако по неизвестной причине на каждый миллиард пар возник дисбаланс: одна «лишняя» частица материи выживала.

Стандартная космологическая модель ΛCDM — включающая тёмную энергию и холодную тёмную материю — подобна партитуре космической симфонии. Она описывает, как после Большого взрыва расширялось пространство, как сгущалась тёмная материя и как зажигались галактики.

Фазовый переход — это момент, когда вещество меняет своё состояние, как вода превращается в лёд. В квантовом мире такие переходы происходят при абсолютном нуле, и увидеть их напрямую почти невозможно. Обычно для этого строят сложнейшие компьютерные модели, требующие огромных ресурсов. Метод Delta-VQE предлагает обходной путь.

Квантовая цепочка напоминает гирлянду, где лампочки — это спины частиц. В идеале все лампочки горят синхронно, подчиняясь общему ритму, — это и есть симметрия. Но если отрезать кусок гирлянды, ритм может сбиться: внутри отрезка симметрия нарушается. Физики исследуют цепочку частиц с сильным взаимодействием — модель XYZ.

Массивная звезда исчерпывает топливо — и её ядро схлопывается за доли секунды. Рождается сверхновая, а вместе с ней — короткий, но мощный ливень нейтрино. Эти частицы почти не взаимодействуют с веществом, поэтому свободно улетают, неся информацию о катастрофе.

Река раздваивается. Один рукав — широкий и быстрый, вода в нём течёт плавно, но с повышением температуры течение замедляется: появляются водовороты и волны. Второй рукав — узкий, с порогами, где вода перепрыгивает с камня на камень. Этот поток, наоборот, с прогревом становится живее.

Туго натянутая струна продолжает вибрировать после щипка. В физике элементарных частиц есть похожий объект — осциллон. Это сгусток энергии, который пульсирует, словно сердце, не расплываясь в пространстве. Возникают такие структуры в поле Хиггса — том самом поле, которое отвечает за массу частиц. Но обычно осциллоны живут недолго: они быстро теряют энергию и исчезают.

Квантовый мир устроен хитро: иногда частицы, запертые в плоском слое и пронизанные сильным магнитным полем, начинают вести себя как жидкость, состоящая не из целых электронов, а из их долей — дробных зарядов. Это дробный квантовый эффект Холла.

Строй солдат по команде поворачивается в одну сторону. В магнитных материалах роль солдат играют спины атомов — крошечные магнитные стрелки. В обычном магните они смотрят одинаково, но в треугольной решётке всё сложнее: соседи мешают друг другу, и возникает запутанный танец. Физики изучили кристалл Na₂BaCo(PO₄)₂ с ионами кобальта, расположенными в углах треугольников.

Квантовые расчёты часто напоминают сборку сложного механизма: физик знает, что деталь встанет на место, но не всегда может объяснить почему. Один из излюбленных приёмов — вставить в середину формулы «единицу», только не обычную, а составленную из бесконечного набора всех возможных состояний системы. Это позволяет превратить громоздкое выражение в цепочку простых интегралов.