Peter Higgs

Стакан с водой и стакан с киселём выглядят одинаково, но ведут себя по-разному. Так и ткань простаты: на обычном срезе под микроскопом видно и опухолевые железы, и окружающую их опору — соединительную ткань. Раньше патолог смотрел только на железы, а опору считал просто фоном. Программа PROTAS училась на тысячах снимков и нашла в этом «фоне» важные перемены.

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.

Радиоактивные метки — как курьер с маячком: вводишь его в организм, и он подсвечивает нужный орган на снимке. Но у такого курьера жёсткие правила: нельзя посылать его часто, он быстро «устаёт» и стоит дорого. Врачи давно мечтают о способе видеть орган без радиации.

Фотограф снимает бегуна: чтобы кадр не смазался, нужна короткая выдержка. МРТ-сканер — тот же фотограф, но «выдержка» у него долгая: за это время мышца успевает измениться. Поэтому динамическое МРТ (серия объёмных кадров в движении) — сложная задача: данных мало, а движение не ждёт.

Бозон Хиггса живёт невообразимо мало — меньше миллиардной доли секунды. Поймать его напрямую нельзя, поэтому физики смотрят на то, что остаётся после его распада: струи частиц, мюоны, нейтрино. Но часть информации теряется, если учитывать только явные следы распада, а не всё событие целиком.

В детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду. Среди этого потока физики выловили восемь событий, в которых после удара возникли сразу две Z-частицы и один фотон.

Мочевой пузырь похож на воздушный шарик: пока он наполняется, стенка растягивается, и форма меняется. Врачи обычно следят за давлением внутри и за тем, сколько жидкости вошло, но почти не смотрят на саму геометрию — как именно изгибается поверхность. А ведь неровности могут появиться ещё до того, как испортятся привычные показатели.

Сердце бьётся неровно. Обычная МРТ делает вид, что все удары одинаковые: накладывает их друг на друга, как фотограф, который снимает танцора с длинной выдержкой. Получается размытое пятно — красивое, но бесполезное, если нужно разглядеть каждое движение. Новый подход снимает сердце, как видео: кадр за кадром, без пропусков. Пациент дышит свободно, а аппарат сам следит за движением органа и поправляет изображение.

Обычный аппарат МРТ — это огромный магнит, который не сдвинешь с места, и мощный компьютер, превращающий сигналы от тела в картинку. В последние годы появились портативные томографы с более слабым полем: они лёгкие, дешёвые и могут работать в полевом госпитале или в машине скорой помощи. Но у них беда с вычислительной частью — встроенный процессор не тянет современные алгоритмы, которые делают снимок чётким.

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.

Обычный ПЭТ-сканер похож на фотоаппарат с узким объективом: чтобы снять человека целиком, его приходится двигать вперёд-назад и делать много кадров. Новый томограф IMAS — это широкоугольная камера, которая охватывает сразу 71 сантиметр тела. Пациент лежит неподвижно, а аппарат за один проход собирает изображение от макушки до бёдер.

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.

ПЭТ/КТ — это как карта местности, где раковые клетки светятся яркими точками. Но что если карта пуста, а болезнь всё равно где-то прячется? У 132 мужчин с возвратом рака простаты врачи не нашли светящихся очагов, но решили изучить саму текстуру снимка — как опытный лесник замечает примятую траву там, где прошёл зверь.

Когда W-бозон (частица-переносчик слабого взаимодействия) распадается на кварк и антикварк, на огромной скорости коллайдера эти два осколка летят почти в одном направлении. Детектор видит не две отдельные частицы, а одну широкую струю — как если бы два бегуна на финише слились в одно пятно на фотоснимке.

В детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются с огромной энергией, и среди обломков иногда рождается бозон Хиггса — частица, которая даёт массу другим частицам.

Плацента — как оживлённый рынок, где кислород переходит от матери к ребёнку. Если прилавки стоят ровно и товар развозят быстро, всем хватает. Но стоит проходам забиться, начинаются заторы: где-то густо, где-то пусто.

При лечении рака простаты врачи часто видят не одну опухоль, а множество очагов в костях и лимфоузлах. Каждый такой очаг может реагировать на терапию по-своему: один уменьшается, другой стоит на месте, третий растёт. Раньше оценивали болезнь в целом — как будто судили о погоде по средней температуре за год. Теперь появилась возможность следить за каждым очагом отдельно.

В больнице кровь из пальца обычно уезжает в лабораторию, а результат приходит через день. Новый метод обещает сократить этот путь до нескольких минут. Вместо того чтобы ловить свет, отражённый от пробы, он считывает электрическое напряжение, которое возникает на границе двух сред — как лёгкое покалывание, когда мокрыми пальцами касаешься батарейки.

Слабый магнит в аппарате МРТ — как тусклая лампочка в тёмной комнате: картинка есть, но детали тонут в зернистости. Такие томографы работают при поле меньше 0,1 тесла (обычный больничный — 3 тесла, в 30 раз сильнее), зато они лёгкие, дешёвые и не требуют специального помещения. Проблема одна: шум съедает качество. Нейросеть выступила в роли реставратора.

На Большом адронном коллайдере сталкиваются протоны, и из вспышки рождаются десятки частиц. Среди них могут быть следы редких процессов — например, распад бозона Хиггса на два W-бозона. Но эти частицы разлетаются так быстро, что их следы сливаются в одну широкую струю. Выделить такую струю среди тысяч похожих — всё равно что найти нужную ветку в шумящем лесу.

Когда врач облучает опухоль, он старается не задеть здоровые органы рядом. Раньше было принято давать много маленьких порций радиации — это как поливать газон из лейки с мелким ситечком. Теперь всё чаще используют гипофракционирование: меньше сеансов, но порции крупнее, словно из шланга с сильным напором. Вопрос в том, как понять, не пересушили ли при этом соседние грядки.

Бозон Хиггса — как дирижёр, задающий массу всем остальным частицам. Без него электроны были бы безмассовыми, а атомы развалились бы. Но как именно дирижёр взаимодействует сам с собой? Это главный вопрос, на который должен ответить будущий мюонный коллайдер. В статье рассмотрена установка MUSIC, спроектированная для столкновений мюонов при энергии 10 ТэВ.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду, и лишь однажды на триллион столкновений рождается пара бозонов Хиггса (частиц, отвечающих за массу всего сущего). В эксперименте CMS физики выслеживали именно такие события.

Фонарик рассеивает свет широким пятном, а лазер бьёт узким лучом и выхватывает мельчайшие детали. В магнитно-резонансной томографии (МРТ) роль такого луча играет градиент — быстрое изменение магнитного поля вдоль тела. Чем круче перепад, тем точнее можно отследить движение молекул воды в тканях.

Чтобы заглянуть внутрь мышцы, её просвечивают радиоволнами в сильном магнитном поле — так работает МРТ. Вода в клетках и вода в крови откликаются по-разному, но обычный сканер этого не различает: он выдаёт усреднённую картинку, где сигнал от капилляров накладывается на сигнал от мышечных волокон.

Два ослепительно ярких луча сталкиваются лоб в лоб. В месте их встречи на мгновение рождается частица — та самая, что отвечает за массу всего на свете. Это бозон Хиггса. Обычно его получают, разгоняя протоны или электроны, но здесь в качестве снарядов выступают сами частицы света — фотоны.

Фотограф снимает бегуна на длинной выдержке — и получает размазанный силуэт. Примерно так же обычный магнитно-резонансный томограф «видит» движущиеся органы: сердце сокращается, лёгкие дышат, и картинка смазывается. Чтобы этого избежать, пациента просят замереть и задержать дыхание. Но для ребёнка или человека с одышкой это почти невыполнимо. Метод под названием GRASP решает проблему иначе.

Оркестр без дирижёра. Каждый музыкант слышит не только соседа, но и отзвуки со всей сцены. Примерно так устроена идея нелокального поля Хиггса: частица «чувствует» происходящее не в одной точке, а сразу в целой области пространства. В привычной картине масса возникает, когда частицы проходят сквозь вездесущее поле Хиггса — словно ложка в мёде.

В глубине детектора Большого адронного коллайдера сталкиваются протоны, и на короткий миг рождается нечто тяжёлое. Оно мгновенно рассыпается на два бозона Хиггса — частицы, которые, как матрёшки, скрывают в себе ещё по две пары b-кварков.

Квантовая частица, пробегая по замкнутому кольцу, оставляет на своём пути две разные «записи». Первая — словно отпечаток пальца на дверной ручке: он остаётся неизменным, сколько бы раз вы ни поворачивали ручку, и говорит только о форме и материале.

Человек дышит, и его печень плавно ходит вверх-вниз. При лечении опухоли излучением эту подвижность обязательно учитывают: пучок должен попадать точно в цель, а не в здоровую ткань. Обычно дыхание «снимают» с помощью специальной компьютерной томографии (КТ), делая серию кадров за один цикл вдоха-выдоха.

Магнитно-резонансные томограммы простаты зачастую напоминают снимки через грязное стекло: присутствует шум, контуры размыты, а геометрия искажена из-за неоднородностей магнитного поля. Исследователи проверили, что произойдёт, если «помыть» это окно: удалить артефакты, скорректировать искажения и точно совместить разные импульсные последовательности.

Бозон Хиггса похож на камертон, который звучит на строго определённой ноте. Но физики научились слышать его и тогда, когда нота сбита — в области, которую называют «вне резонанса». Именно там, в данных с детектора CMS, прятались ответы на вопросы о том, из чего на самом деле сделан хиггсовский механизм.

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.

В протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере иногда рождается не один бозон Хиггса, а сразу два. Частота таких событий — прямой отпечаток того, как поле Хиггса взаимодействует само с собой: параметр самодействия κλ определяет вероятность одновременного появления пары хиггсовских бозонов.

Катушка в магнитно-резонансном томографе (МРТ) улавливает радиочастотный сигнал от атомов водорода — подобно тому, как антенна принимает передачу далёкой радиостанции. Однако этот сигнал крайне слаб, и если усилитель вносит собственный шум, итоговое изображение становится зернистым.