уран

Лишний электрон в молекуле похож на пассажира, который едва держится на подножке уходящего поезда. Такой «пассажир» превращает частицу в анион — отрицательно заряженный ион. Изучать его трудно: связь слабая, электронное облако размыто, и любой толчок может сорвать электрон прочь.

Огромный бассейн с прозрачной жидкостью спрятан глубоко под землёй. В нём нет ничего, кроме чистейшего «бульона», который вспыхивает слабым светом, когда сквозь него пролетает частица-невидимка. Это — детектор JUNO, 20 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора, построенный для охоты за нейтрино. Главный враг такой охоты — не темнота, а собственный шум.

В феврале 2023 года подводный телескоп KM3NeT, заякоренный на глубине трёх километров у берегов Сицилии, зарегистрировал вспышку. Один-единственный мюон прочертил детектор, оставив след энергии в 220 петаэлектронвольт. Это как если бы комар на лету пробил бетонную стену. Источником послужило нейтрино — частица-призрак, которая почти не взаимодействует с веществом.

С тех пор как «Вояджер-2» промчался мимо Урана в 1986 году, ледяные луны планеты хранили загадку: откуда на их поверхности углекислый газ? Тогдашние спектрометры лишь намекали на присутствие CO₂, но не могли сказать ничего о его происхождении.

Самый точный маятник в мире — не стальной стержень, а крошечное атомное ядро. У изотопа тория-229 есть особое возбуждённое состояние: чтобы перевести ядро в него, нужно совсем немного энергии — примерно как у ультрафиолетового лазера.

Самые точные современные часы — атомные — отсчитывают время по переходам электронов между энергетическими уровнями. Однако их ход можно нарушить: подобно тому, как тряска сбивает ритм механического маятника, внешние поля влияют на электронные оболочки. Физики нашли более стабильный осциллятор — атомное ядро.

Электронные облака вокруг атомных ядер можно представить как пушистые шубы: они не дают ядрам сблизиться для слияния. Но замените лёгкий электрон на мюон — тяжёлый аналог электрона из стандартной модели элементарных частиц, — и картина меняется. Мюон формирует компактную «шубу», сжимая электронное облако почти в 200 раз.

Бассейн с чистейшей водой, в который изредка падают крошечные, почти невидимые капли. Каждая оставляет едва заметный всплеск, и чтобы его зафиксировать, нужны годы терпения. Именно так выглядит охота за солнечными нейтрино в детекторе DEAP-3600 — огромном резервуаре с жидким аргоном, спрятанном глубоко под землёй.

В глубине Средиземного моря, где вода давит с силой сотен атмосфер, сеть светочувствительных шаров ждала редкого гостя. И он пришёл — нейтрино, которое пронесло через толщу Земли энергию, сравнимую с ударом летящего кирпича. Только вместо кирпича — крохотная частица, почти неосязаемая, но способная рассказать о самых бурных уголках космоса. Эту частицу назвали KM3-230213A.

Альфа-частица — это ядро гелия, которое вылетает при распаде тяжёлых атомов. Попадая в кристалл нитрида галлия, она отдаёт ему свою энергию и рождает электрический импульс. По высоте импульса можно узнать, сколько энергии было у частицы.

Лазерный луч, по мощности сопоставимый с шёпотом света, перевёл ядро тория-229 в возбуждённое состояние с более высокой энергией.

Кремниевая пластинка толщиной в полволоса ловит пролетающую частицу, как ладонь ловит каплю дождя. Но если капля — это протон, разогнанный до огромной энергии, ладонь может получить ожог. Внутри детектора рождается лавина заряда, и иногда её хватает, чтобы прожечь микроскопическую дыру. Это называют одиночным выгоранием.

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.

Таможенник не может разобрать чемодан на части, чтобы узнать, что внутри. Он просвечивает его рентгеном и по теням на экране понимает: вот металл, вот органика. Примерно так же инспектор будущих договоров о ядерном разоружении должен проверять боеголовку — не открывая её и не видя секретной начинки. Нейтроны для такой проверки подходят лучше рентгена.

Кусок ядерного топлива внутри реактора — это не просто твёрдое тело. При нагреве атомы урана в нём начинают «шевелить» своими магнитными моментами, и это движение меняет теплопроводность и другие свойства.

Протон — не сплошной шарик. Его заряд, масса и другие свойства распределены в пространстве по-разному, и у каждого свойства свой радиус. Физики давно умеют измерять, где сосредоточен заряд протона и где его масса. Теперь они добрались до ещё одной характеристики — барионного числа, то есть числа, которое показывает, сколько тяжёлых частиц (барионов) участвует в процессе.

Атомное ядро обычно живёт по своим законам: его распад не зависит от температуры, давления или соседей по молекуле. Но у изотопа урана-235m есть удивительное исключение. Это ядро находится в возбуждённом состоянии, как туго натянутая пружина, и рано или поздно высвобождает лишнюю энергию.

В толще антарктического льда, на глубине, где не бывает солнечного света, висят антенны. Они слушают не звуки, а радиоволны — и ждут сигнала от частицы, которую почти невозможно поймать. Нейтрино пролетает сквозь Землю, как пуля сквозь туман, но иногда, очень редко, задевает атом льда. Тогда рождается короткий радиовсплеск — и антенны его записывают.

В подземном зале Фермилаба стоит огромный бак с жидким аргоном — прозрачной жидкостью при температуре минус 186 градусов. Когда невидимая частица нейтрино влетает в этот бак, она иногда задевает ядро аргона, и вспыхивает короткий след из заряженных частиц. Детектор MicroBooNE ловит такие вспышки уже несколько лет и накопил сотни тысяч записей.

Колокол гудит не одной нотой — после удара в нём звучат сразу несколько гармоник. Примерно так же вибрирует атомное ядро: после столкновения оно может колебаться, и эти колебания видны по испускаемым гамма-лучам. Но у ядра ниобия-104, где 41 протон и 63 нейтрона, гармоник оказалось больше, чем ожидали.

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.

Уран и Нептун долго озадачивали планетологов: их магнитные поля сильно наклонены относительно оси вращения и имеют сложную многополюсную структуру, совсем не похожую на сравнительно простой диполь земного поля. Разгадка скрывалась в необычной фазе воды — суперионном льде, который, согласно моделям, заполняет недра этих ледяных гигантов.

В недрах звёзд лёгкие ядра сливаются, рождая гелий и потоки нейтронов. На Земле этот процесс воспроизводят, соединяя дейтерий и тритий — особые изотопы водорода, содержащие один и два нейтрона соответственно.

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.