тау-лептон

В баке с тремя тоннами жидкого ксенона, спрятанном глубоко под землёй, однажды что-то шевельнулось. Не сам ксенон, а одно из его атомных ядер: оно получило толчок с энергией 248 тысяч электронвольт и отскочило, как бильярдный шар, в который попал невидимый шар.

Высоко в горах, где воздух прозрачен и тих, физики готовятся ловить неуловимых гостей из космоса — нейтрино, частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом. Эти лептоны, словно призраки, проходят сквозь Землю, почти не оставляя следов. Но иногда нейтрино всё же врезается в атом, рождая ливень частиц, который можно зарегистрировать.

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.

В 2021 году обсерватория LHAASO зарегистрировала гамма-кванты с энергией свыше петаэлектронвольта от источников вроде Крабовидной туманности — остатка взрыва сверхновой, в центре которой пульсирует нейтронная звезда.

В недрах нейтронной звезды — остатка взорвавшегося светила — вещество сжато так, что чайная ложка весит миллиарды тонн. Среди этой сверхплотной материи, возможно, действует особая разновидность сил — та, что касается только мюонных и тау-нейтрино. Такая сила предсказана некоторыми расширениями Стандартной модели физики частиц.

Тау-лептон — короткоживущая частица, тяжёлый родственник электрона. Когда он распадается, внутри него кварки обмениваются глюонами, словно игроки в закрытой комнате перебрасываются мячом. Самих бросков не видно, заметен только конечный счёт — два пиона, разлетающихся под определёнными углами.

Электрон и его более тяжёлый родственник — мюон — ведут себя как крошечные магниты. Их магнитный момент в специальных единицах чуть превышает двойку, и эта «избыточная доля» называется аномальным магнитным моментом.

С одной стороны весов — всё вещество Вселенной, с другой — всё антивещество. По законам физики в момент рождения мира чаши должны были уравновеситься. Но мы видим, что одна чаша перевесила: вокруг нас звёзды, планеты, люди, а антивещества почти нет. Этот перекос — одна из главных загадок.

Глубоко под землёй в Японии стоит огромный резервуар с чистейшей водой. Он ждёт редких гостей — нейтрино, прилетающих от взрывов далёких звёзд. Таких гостей почти не бывает: за годы наблюдений аппарат Super-Kamiokande регистрирует лишь несколько событий. Но недавно физики заметили, что гостей чуть больше, чем ожидалось.

Шумный вокзал в час пик. Тысячи людей спешат, голоса сливаются в гул. И где-то в этой толпе два человека пытаются пожать друг другу руки особым, едва заметным жестом. Заметить такое рукопожатие почти невозможно.

Фейерверк вспыхивает, и одна точка рассыпается сразу четырьмя искрами. Похоже ведёт себя Z-бозон — частица, переносящая слабое взаимодействие, — когда распадается на четыре заряженных лептона (электроны или мюоны). Процесс крайне редкий: на миллион рождений Z-бозона приходится лишь около пяти таких событий.

В ускорителе SuperKEKB сталкивают электроны с позитронами — и среди осколков находят B-мезоны. Эти тяжёлые частицы живут недолго и разваливаются на более лёгкие. Недавно детектор Belle II зафиксировал подозрительно много случаев, когда B-мезон превращается в K-мезон (каон) и что-то невидимое — на 2,7 сигмы больше, чем ожидалось.

Переводчик на полпути через зал вдруг начинает передавать сообщение наоборот. Примерно так может повести себя нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещества, — если на его пути встретится облако сверхлёгкой тёмной материи.

Монета падает ребром — примерно так же редко тяжёлый B-мезон распадается на лёгкий пион и пару электрон-позитрон. За десятилетие работы коллайдера таких событий набралась лишь горстка, но физики наконец смогли их разглядеть. Вероятность распада составила около 2,4×10⁻⁸.

Скорость света в вакууме — фундаментальный метроном физики, задающий темп всем процессам во Вселенной. Малейший сбой этого ритма способен разрушить привычную гармонию законов природы.

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.

Внутри каждого атома живёт протон. Долгое время его считали вечным, как саму материю. Но теории, объединяющие все силы природы, предсказывают: рано или поздно протон распадётся. Вопрос лишь в том, сколько ждать. В японском детекторе Super-Kamiokande — гигантском баке с чистейшей водой — физики искали следы такого распада.

Столкновение двух свинцовых ядер на Большом адронном коллайдере — это как бросить друг в друга два увесистых мешка с шариками. Обычно шарики разлетаются во все стороны, но иногда один мешок пролетает так близко, что шарики не сталкиваются, а лишь обмениваются взглядами.

Кольцевая дорога вокруг Солнца, по которой разгоняются не автомобили, а сгустки материи. Диаметр этой дороги — световые годы: она опоясывает нашу планетную систему по внешней границе, в облаке Оорта, где ещё чувствуется слабое притяжение звезды.

В первые минуты Большого взрыва Вселенная приготовила первичный нуклеосинтез — коктейль из лёгких элементов: водорода, гелия и щепотки лития.

Крошечный сверхпроводник, парящий над магнитом благодаря эффекту Мейснера, — это пробка на поверхности невидимого океана. Малейшее дуновение тёмной материи — гипотетической формы материи, не испускающей электромагнитного излучения — заставляет его вздрагивать. Учёные рассмотрели два вида такого «ветра».

Тау-лептон — тяжёлый родственник электрона, который живёт меньше триллионной доли секунды. Обычно он распадается на более лёгкие частицы, но никогда — сразу на три мюона: такой переход запрещён известными законами физики частиц. Если бы он произошёл, это означало бы, что в природе действуют неизвестные силы.

В подземном кольце длиной 27 километров протоны разгоняют почти до скорости света и сталкивают лоб в лоб. В точке удара на мгновение возникают условия, какие были в первую триллионную долю секунды после рождения Вселенной. Детектор CMS — многоэтажная машина из кремния, свинца и сверхпроводящих магнитов — ловит обломки этих столкновений.

В детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере частицы оставляют следы, как лыжники на снегу. Некоторые следы обрываются через пару сантиметров — так выглядела бы частица, которая родилась, пролетела немного и распалась на что-то невидимое. Физики искали именно такие «исчезающие следы» в данных 13-тераэлектронвольтных столкновений протонов.

В Большом адронном коллайдере сталкивают не только протоны, но и целые ядра атомов. При ударе двух ядер на огромной скорости возникает крошечный объём раскалённой материи — настолько горячей, что протоны и нейтроны в нём плавятся и превращаются в «суп» из кварков и глюонов. Через этот суп, как через густую среду, продираются быстрые частицы.

В детекторе CMS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются с огромной энергией, рождая множество частиц. Большинство из них распадаются почти мгновенно, прямо в точке столкновения. Но некоторые гипотетические частицы, если они существуют, могли бы жить заметно дольше — пролетать несколько сантиметров или даже метров, прежде чем распасться.

Камешек падает в пруд, и по воде расходятся круги. Но иногда камешек не сразу уходит на дно: он скользит под поверхностью, проплывает несколько метров и лишь потом всплывает, порождая круги в неожиданном месте. Так физики ищут долгоживущие частицы: они рождаются в столкновении протонов, летят сквозь детектор незамеченными, а затем распадаются на обычные частицы вдали от точки рождения.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро коллапсирует, и внешние слои сбрасываются в грандиозном взрыве — сверхновой (термин ввёл Фриц Цвикки, изучая эти катастрофы).

В 1930-е годы Вольфганг Паули осознал: без крохотных частиц-призраков энергетический баланс звёзд не сходится. Так в физику вошли нейтрино — почти не взаимодействующие с веществом странники, пронизывающие всё вокруг. Чтобы объяснить их способность превращаться друг в друга (осцилляции), нейтрино должны обладать ненулевой массой.

Высоко над ледяным щитом Антарктиды двадцать дней висел воздушный шар с детектором. Он ловил крошечные частицы, которые миллионы лет летели к нам от далёких звёздных взрывов. Теперь учёные разобрали его улов и рассказали, сколько энергии несли протоны и ядра разных элементов. Оказалось, что не все частицы одинаковы.