Экспериментальная физика высоких энергий hep-ex

В Jefferson Lab электроны разгоняются до 12 ГэВ и врезаются в протоны, чтобы выпытать их секреты. Но существующие детекторы похожи на фотокамеры с узким полем зрения: либо видно много, но тускло, либо ярко, но крошечный кусочек. Электронное рассеяние — главный инструмент, но статистики не хватает для тонких эффектов.

На Большом адронном коллайдере каждую секунду рождаются миллионы струй — потоков частиц, вылетающих из одного кварка или глюона. Отличить струю от топ-кварка от струи от обычного кварка — задача, от которой зависит охота за новой физикой. Современные нейросети-трансформеры умеют это делать с высокой точностью, но платят за неё гигантским числом параметров и вычислений.

В тёмной лаборатории, где сверхпроводящие чипы охлаждены до тысячных долей кельвина, кубит крутится под действием магнитного поля. Обычный кубит поворачивается в одну сторону. Антикубит — его зеркальный двойник — в противоположную. Вместе они образуют пару, которая чувствует поле вдвое острее, чем любая обычная пара.

Кремниевая сфера диаметром 166 нанометров парит в луче инфракрасного лазера. Давление ниже 10⁻⁸ мбар, температура движения — около 10 милликельвинов. Это холоднее реликтового излучения. Сфера — микроскопический сейсмограф, улавливающий квантовые толчки невидимых частиц. Каждый удар частицы тёмной материи передаёт сфере импульс. Сфера вздрагивает.

В 2016 году детектор LHCb на Большом адронном коллайдере записал миллионы протон-протонных столкновений. Среди обломков этих столкновений рождались нейтральные B-мезоны — частицы, которые могут самопроизвольно превращаться в свои античастицы и обратно. Чтобы измерить это превращение, физикам нужно знать, кем была частица в момент рождения: материей или антиматерией.

Два мюона рождаются в распаде эта-мезона и разлетаются, связанные квантовой запутанностью. Один экспериментатор, Алиса, измеряет спин отрицательного мюона, а другой, Боб, регистрирует направление позитрона от распада положительного мюона. Казалось бы, порядок событий должен влиять на корреляции. Но вычисления показывают обратное.

36 дней над Индийским океаном бушевал тропический циклон Фредди — самый долгоживущий в истории наблюдений. Метеорологи следили за ним со спутников, с самолётов, с наземных станций. Но одна деталь ускользала от всех приборов: точная плотность воздуха в глубине вихря. А именно она определяет, куда циклон повернёт завтра.

В 1976 году канадский физик Билл Унру задал простой вопрос: что видит наблюдатель, который разгоняется в пустоте? Ответ оказался странным: пустота перестаёт быть пустой. Ускоряющийся наблюдатель купается в тепловом излучении с температурой, пропорциональной ускорению.

В 1936 году два физика, Вернер Гейзенберг и Ганс Эйлер, сидя над уравнениями квантовой электродинамики, обнаружили нечто странное. В достаточно сильном магнитном поле вакуум должен перестать быть пустым. Он должен стать похожим на кристалл: свет одной поляризации пойдёт в нём чуть быстрее, свет другой — чуть медленнее. Это явление назвали вакуумным двулучепреломлением.

Мюон — это элементарная частица, похожая на крошечный волчок, вращающийся в бурном море вакуума. Его магнитная ось — вектор, описывающий силу и направление магнитного поля, — указывает чуть в сторону от того, что предсказывает Стандартная модель физики частиц.

В лаборатории DESY запущен эксперимент ALPS II, нацеленный на обнаружение аксионов — гипотетических частиц-призраков, почти не взаимодействующих с веществом, из которых может состоять тёмная материя. Эта невидимая масса выполняет роль гравитационного каркаса, удерживающего галактики от разлёта под действием центробежных сил при вращении.

Тёмная материя — загадочная субстанция, составляющая 85% вещества Вселенной, — остаётся невидимой для наших приборов, проявляя себя лишь через гравитационное взаимодействие. Уловить её присутствие можно по своеобразному космическому «звуку» — слабой вибрации, пронизывающей пространство.

Наше Солнце — мощнейший природный источник нейтрино, частиц-призраков, которые почти не взаимодействуют с веществом. Проходя сквозь плотное солнечное вещество, эти частицы испытывают осцилляции — меняют свой тип, или, на языке физиков, «аромат» (электронное, мюонное, тау-нейтрино). Представьте голос, проходящий сквозь толпу: чем плотнее окружение, тем сильнее искажение тембра.

Нейтронная звезда — это спрессованный остаток массивного светила: вещество в ней сжато до такой степени, что его гора размером с напёрсток обладает колоссальной плотностью.

В огромном спектрометре в Карлсруэ, похожем на гигантскую металлическую бочку, ловят частицы, которые почти невозможно поймать. Нейтрино — призраки микромира: каждую секунду сквозь ваше тело пролетают триллионы этих частиц, и вы этого не замечаете. Но у них есть масса, и учёные хотят её измерить. Для этого в KATRIN используют радиоактивный газ тритий.

В тёмной комнате стоит бак с жидким аргоном. Иногда сквозь него пролетает невидимая частица, задевает ядро атома — и в жидкости вспыхивает слабый свет. По этой вспышке физики пытаются понять, что за гостья к ним пожаловала.

Тёмная материя невидима, но именно она, по расчётам, скрепляет галактики. Поймать её частицы — всё равно что услышать шёпот в шумной комнате. Нужен материал, который от малейшего толчка отзовётся громко и заметно. Таким материалом могут стать молекулярные магниты — вещества, в которых каждая молекула работает как самостоятельный магнитик.

Тёмная материя — невидимая субстанция, масса которой примерно в пять раз превышает массу обычного, барионного вещества. Её гипотетические частицы крайне слабо взаимодействуют с атомами: они проходят сквозь вещество, почти не оставляя следов, но изредка могут рассеяться на электроне — подобно тому, как порыв ветра задевает натянутую струну, вызывая едва уловимое колебание.

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.

В тёмной комнате можно заметить слабое голубое свечение вокруг некоторых источников радиации. Это черенковский свет — он появляется, когда заряженная частица летит сквозь среду быстрее, чем свет успевает в ней распространяться. Получается световая ударная волна, похожая на звуковой хлопок от сверхзвукового самолёта, только из фотонов.

Две чёрные дыры кружатся друг вокруг друга, и их танец не всегда похож на ровный вальс. Если дыры крутятся вокруг своей оси, то их орбита может начать кувыркаться — как волчок, который подтолкнули, и он заваливается набок, продолжая кружиться.

Тёмная материя — загадочная субстанция, которая в пять раз массивнее обычного вещества, но не испускает и не поглощает электромагнитное излучение. Её природа остаётся одной из главных нерешённых задач физики.

Два волчка запускают одновременно и в противоположные стороны. Если один крутится влево, второй всегда крутится вправо — как бы далеко они ни разлетелись. Примерно так устроена квантовая запутанность, только вместо волчков — топ-кварки, самые тяжёлые частицы из известных.

Внутри протонов, разогнанных почти до скорости света, иногда рождается частица тяжелее атома золота — верхний кварк. Она живёт ничтожные доли секунды и распадается, оставляя след в детекторе ATLAS. Физики четыре года собирали такие следы, чтобы понять, как часто появляется верхний кварк и его зеркальный двойник — антикварк.

Вода в чайнике нагревается до ста градусов — и перестаёт быть водой, превращаясь в пар. Нечто похожее происходит с ядрами атомов, когда их сталкивают на огромных скоростях в Большом адронном коллайдере.

Тёмная материя — невидимое вещество, которое держит галактики вместе, но не испускает свет. Поймать её частицы — всё равно что услышать шёпот в шумном зале. Обычные детекторы слышат только громкие удары, а слабые сигналы тонут в помехах. В жидком аргоне частица тёмной материи, столкнувшись с ядром атома, выбивает искру света и облако зарядов. Но при слабом толчке искра едва тлеет.

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.

В глубине подземной лаборатории детектор размером с комнату ждёт события, которое может произойти раз в сто миллионов миллиардов лет. Это безнейтринный двойной бета-распад — процесс, который нарушил бы один из главных законов физики. Чтобы его поймать, нужна идеальная тишина: ни одного лишнего радиоактивного атома в материалах детектора.

Внутри большого ускорителя частиц царит невидимый ливень из гамма-лучей — как если бы стеклянную нить оставили под рентгеновским аппаратом, включённым на годы. Обычная электроника там быстро выходит из строя, а данные из детектора наружу нужно как-то передавать. Решение — оптическое волокно: тонкая стеклянная жила, по которой бежит свет.

Космос наполнен невидимой тёмной материей — гипотетической формой материи, которая выдаёт себя лишь гравитационным воздействием на видимые объекты.

Рентгеновский лазер LCLS-II в Калифорнии бьёт короткими мощными вспышками — как стробоскоп на дискотеке. Между вспышками остаются тёмные паузы длиной в 26,9 наносекунды (миллиардных доли секунды). Именно в этих паузах физики хотят ловить тёмную материю — загадочное вещество, которое не светится, но притягивает обычную материю своей гравитацией.

В детекторе BESIII частицы разыгрывают спектакль: сталкиваются, рождаются и распадаются, оставляя вспышки света. Но иногда актёр может уйти со сцены незаметно — через потайную дверь, которую не видят камеры. Физики искали именно такие «тихие» распады, когда частица превращается в нечто невидимое для приборов.

Каждый атом обладает характерным «голосом» — частотой испускаемого света. У изотопов — атомов одного элемента с разным числом нейтронов в ядре — эти частоты слегка различаются. Представьте хор: если партитура известна до мелочей, любая фальшь укажет на внешнее вмешательство. График Кинга — метод сравнения того, насколько согласованно «поют» две спектральные линии разных изотопов.

Когда в детекторе частиц рождается топ-кварк, он тут же распадается на целый ливень других частиц. Поймать в этом ливне намёк на новую физику — всё равно что услышать шёпот на рок-концерте. Нужен не просто хороший микрофон, а умение вычесть грохот усилителей и гул толпы.

Внутри холодильника, который остужает вещество почти до абсолютного нуля, бьётся механическое сердце — пульсационная труба. Она качает газ и отнимает тепло, но вместе с холодом приносит дрожь. Каждый удар этого сердца сотрясает приборы, стоящие рядом с образцом, и портит тонкие измерения.

Обычный кусок германия размером с ладонь может заметить, как через него пролетает одна-единственная частица тёмной материи. Но для этого кристалл должен быть почти идеальным: без электрических шумов, с ровным полем внутри и контактами, которые не искрят при высоком напряжении. В новой работе собрали детектор KL01.

Мюон — это как электрон, только в 207 раз тяжелее. Когда он влетает в вещество, то тормозится, как пуля в толще песка, и на каждом изгибе своего пути испускает рентгеновские лучи. По этим лучам можно узнать, какие атомы встретились мюону, — так работает метод под названием MIXE. Он позволяет заглянуть внутрь предмета, не разбирая его, словно рентген для материалов.

В детекторе Большого адронного коллайдера после каждого столкновения протонов остаются тысячи точек — следы разлетающихся частиц. Нейросеть научилась видеть в этом узоре закономерности и предсказывать, что произошло в момент удара.

Алмаз — не просто украшение. Этот кристалл может проводить электричество, когда в нём появляются свободные носители заряда: электроны и дырки. Но как быстро они движутся? В научных статьях числа разнятся в десятки раз. Одна лаборатория сообщает скорость 1000 см²/(В·с), другая — 4000.

В ускорителе частиц в Пекине сталкивают электроны с позитронами, и на короткий миг рождается частица под названием эта-си. Она живёт крошечную долю секунды и распадается на другие частицы. Один из самых редких путей — разлететься на два фотона, частицы света. До сих пор никто не мог точно сказать, как часто это происходит.