Феноменология физики высоких энергий hep-ph

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.

В безмолвном сердце мироздания, где частицы сходятся и расступаются, рождается акт чистой гармонии. Два хиггсовских бозона встречаются и на краткий миг образуют единое целое — и если потребовать, чтобы их квантовая запутанность всегда достигала предела, словно камертон, задающий идеальный тон, то уравнения вдруг озаряются новой симметрией.

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 ускорителе сталкиваются две хиггсовские частицы. На кратчайший миг их судьбы переплетаются, а затем расходятся, унося информацию о встрече. Обычно физик описал бы это диаграммами и амплитудами, но здесь рассеяние рассматривают как квантовое вычисление: каждая частица — кубит, а столкновение — операция, преобразующая…

В кипящем бульоне новорождённой Вселенной все частицы теряли различия, как овощи при адской температуре. Восстановить тот простой рецепт — цель современной физики. Теория SO(10) — расширение Стандартной модели — предлагает такой рецепт. Она объединяет все силы и связывает массы любых частиц одной формулой.

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.

Два телескопа смотрят в одну Вселенную и видят разные скорости. Локальные измерения на сверхновых дают 73.04 ± 1.04 км/с/Мпк, а данные реликтового излучения в стандартной модели предсказывают 67.36 ± 0.54. Расхождение в 5.7σ не похоже на случайность — это напряжение Хаббла, трещина в фундаменте космологии.

9 октября 2022 года космос устроил представление, какого астрономы не видели за всю историю наблюдений. Гамма-всплеск GRB 221009A — мощнейший космический взрыв, дающий вспышку гамма-излучения, — ослепил детекторы на орбите и на Земле. Его назвали «самым ярким за всё время».

В лабораториях на Земле конденсат Бозе — Эйнштейна получают, охлаждая облако атомов до миллиардных долей кельвина. Атомы теряют индивидуальность и сливаются в одну квантовую волну, которая ведёт себя как единое целое. Но в космосе такие условия не нужны: гравитация сама создаёт глубокие колодцы, где вещество сжимается и остывает до состояния квантового тумана.

Вселенная после Большого взрыва была почти идеально однородной. Почти — потому что крошечные неоднородности плотности, растянутые инфляцией, стали зародышами галактик. Но что, если эти же неоднородности могли рождать не только звёзды, но и чёрные дыры?

Чёрная дыра в общей теории относительности долго слыла идеальным зеркалом: какие бы поля на неё ни падали, она не деформировалась. Приливные числа Лява, мера деформации тела под действием внешнего приливного поля, для скалярных, электромагнитных и гравитационных возмущений оказывались равными нулю. Это казалось железным правилом, пока не пришли фермионы.

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.

Электрон вылетает из ядра трития с энергией 18,57 кэВ, оставляя после себя невидимого партнёра — нейтрино. Если у этого нейтрино есть доступ в пятое измерение, его масса расщепляется на целую башню состояний, и каждое из них отщипывает от спектра свой кусочек.

Натянутая струна между двумя кварками не лопается мгновенно, как резиновая лента. Она сначала вибрирует, на ней возникают узлы, и лишь потом она рвётся — если вообще рвётся.

Радиометр ARCADE2 на высотном аэростате зафиксировал избыточное радиоизлучение, а наземный эксперимент EDGES — аномально глубокий провал в спектре водорода на 21 см. Оба сигнала не вписываются в стандартную космологическую модель и указывают на неизвестный источник мягких фотонов.

Две чёрные дыры кружатся в тесном танце, и вокруг них рождается нечто удивительное — гравитационная молекула. Облако ультралёгких бозонов, частиц с массой меньше электронвольта, обволакивает пару, как электронное облако в ионе H2+. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле, размазанное на десятки километров.

Гравитационно-волновой детектор ловит не только гул слияний, но и тихий всплеск, когда звезда или облако газа ныряет в сверхмассивную чёрную дыру. Такой нырок, как падение камня в колодец, рождает волны сразу на всех частотах — и в этом спектре закодирована природа самого колодца. Если на дне вместо бездонного провала лежит отражающая плита, эхо вернётся иначе.

В глубине криостата, под слоями сверхпроводящих катушек, лежит стопка из сотен полупроводниковых слоёв. Каждый слой толщиной в несколько нанометров: арсенид галлия, затем арсенид алюминия-галлия. Электроны внутри этих слоёв заперты в плоскости, как муравьи на листе бумаги.

Снежинка, падая из облака, выбирает между левой и правой формой. Разница между ними почти неощутима, как дуновение ветра, но именно оно решает, какой узор вырастет. В мире элементарных частиц такое дуновение создаёт слабое взаимодействие — единственная из четырёх фундаментальных сил, которая нарушает зеркальную симметрию.

Сто лет назад магнитные обсерватории записывали лишь медленные дыхания земного ядра. Сегодня их данные превращаются в охотничьи угодья для физики частиц. В обсерватории Эскдалемюр на севере Англии каждую сотую долю секунды фиксируются колебания магнитного поля. Десять лет таких записей — 9909 восьмичасовых сегментов — стали ловушкой для призрака: тёмного фотона.

В 1976 году Герард ’т Хоофт заметил, что вакуум калибровочной теории не так прост, как кажется: он обладает топологической структурой, которая проявляется в ненулевой топологической восприимчивости. Эта величина — мера чувствительности вакуума к топологическим конфигурациям полей — требует наличия псевдоскалярного состояния, частицы с нулевым спином и отрицательной чётностью.

Квантовая система, однажды родившись, не забывает об этом. Даже спустя десятки времен жизни в её распаде остаётся след начального состояния: медленно убывающий степенной хвост. Для двух флуоресцентных красителей, эритрозина B и эозина Y, этот хвост впервые удалось разглядеть сразу в двух спектральных каналах.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это удар, который слышно на всю Вселенную. Детекторы гравитационных волн улавливают рябь пространства-времени, но самый интересный звук начинается после удара: остаток слияния, стремительно вращающаяся гипермассивная нейтронная звезда, продолжает дрожать, излучая волны ещё несколько…

Каждый вечер в городском архиве дежурный раскладывает новые папки по стеллажам. Если за день их пришло слишком много, полки прогибаются, и наутро архив отвечает на запросы медленнее. Примерно так же устроена память чёрной дыры: она не просто хранит информацию, она физически ощущает её вес.

Три раздела физики — космология, физика частиц и ядерная физика — веками развивались как изолированные берега.

Ещё в 1970-х Вера Рубин, изучая кривые вращения галактик, обнаружила, что звёзды на их окраинах движутся слишком быстро — словно их удерживает невидимая паутина, не дающая разлететься. Ещё раньше, в 1930-х, Фриц Цвикки, анализируя движение галактик в скоплении Кома, первым заподозрил существование огромной скрытой массы.

Физики задействовали квантовый симулятор — платформу, которая воспроизводит динамику заряженных частиц, — чтобы проследить их столкновения в режиме колоссальных энергий. Согласно Стандартной модели, фундаментальной теории микромира, система обязана была стремительно скатиться к хаосу, где энтропия, мера беспорядка, достигает максимума.

Космические лучи — это элементарные частицы, несущие колоссальную энергию, которые пронизывают межгалактическую пустоту. Когда две такие частицы сталкиваются лоб в лоб, плотность энергии в точке удара может оказаться достаточной, чтобы сколлапсировать в чёрную дыру размером с атомное ядро.

Ранняя Вселенная была далека от совершенства: одни её области растягивались быстрее других, создавая складки и перекосы в ткани пространства-времени. Однако квантовый отскок — переход от сжатия к расширению, вызванный законами микромира, — всё исправляет.

Измеренный дипольный момент тантала-181: 3,39 × 10⁻³² e·см — как заметить смещение на один атом в масштабе Солнечной системы. В типичном атомном ядре распределение заряда сферически симметрично, подобно идеально отцентрированному волчку.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной, проявляющий себя лишь через гравитацию. Вера Рубин, изучая вращение галактик, обнаружила, что звёзды на периферии движутся слишком быстро — так, словно их удерживает незримая масса.

Гравитация может выступить в роли невидимого фотографа, фиксирующего электромагнитные события. Представьте: кусок металла падает, и внутри него, согласно работам Альберта Эйнштейна и Джеймса Максвелла, рождается электрическое поле.

В первые мгновения после Большого взрыва во Вселенной могли формироваться объекты, непохожие на привычные нам светила, — тёмные звёзды.

Когда Эдвин Хаббл открыл расширение Вселенной, а Вера Рубин — тёмную материю, каркас космологии казался прочным. Но телескоп JWST заглянул в такую древность, что увидел галактики-тяжеловесы там, где по расчётам должны быть лишь «саженцы».

Чёрные дыры редко пребывают в абсолютной изоляции. Их часто окутывают невидимые облака из гипотетических частиц тёмной материи — настолько лёгких, что они ощущают лишь гравитационное взаимодействие, почти не сталкиваясь друг с другом и с обычным веществом.

В повседневном опыте мы оперируем тремя пространственными измерениями — длиной, шириной и высотой, — считая их фундаментальной и неизменной данностью.

В октябре 2022 года обсерватория LHAASO измерила спектр — распределение энергий — гамма-всплеска GRB 221009A, самого яркого за всю историю наблюдений. Его свет, преодолев два миллиарда лет, оказался столь интенсивным, что возмутил ионосферу Земли.

Исследователи описали новый тип невидимой звезды, ведущей себя как дышащая гравитационная линза. Такая звезда состоит из сверхлёгких скалярных бозонов — гипотетических частиц, которые пока не обнаружены экспериментально.

Тёмная материя — невидимый каркас космоса, гравитационно удерживающий галактики и скопления. Её существование впервые заподозрил Фриц Цвикки, изучая скорости галактик в скоплении Волос Вероники, а позже убедительно подтвердила Вера Рубин, измеряя кривые вращения спиральных галактик.

В 1930-х годах Фриц Цвики, наблюдая за скоплением Волос Вероники, обратил внимание на аномально высокие скорости галактик: их движение указывало на присутствие огромной скрытой массы, гравитационно связывающей систему.