Экспериментальная ядерная физика nucl-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.

Тонкая плёнка диоксида тория толщиной всего 10 нанометров нанесена на стальной диск. Лазерный импульс бьёт в неё, но вместо ожидаемого свечения детектор ловит поток электронов. Так впервые удалось увидеть ядерный переход тория-229 в материале, который полностью поглощает собственное излучение.

Камертон, вырезанный из идеального металла, звенит на одной-единственной частоте. Его звук чист, как математическая формула. Но стоит зажать его в тисках или окунуть в вязкую жидкость — и тон расплывается, обрастает шумами, теряет остроту. Примерно так же ведёт себя ядро скандия-45, когда его помещают в кристаллическую решётку.

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.

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.

Обычные атомные часы — это, по сути, оптический счётчик: они используют спектроскопию — метод, позволяющий с высокой точностью измерять частоту излучения при переходах электронов между энергетическими уровнями.

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.

Чтобы два атомных ядра слились, необходимо преодолеть их яростное электрическое отталкивание — кулоновский барьер, словно свести двух разъярённых быков. В обычных условиях помогает лишь чудовищная энергия, как в звёздных ядрах, где ещё в 1930-х годах Ганс Бете объяснил механизм термоядерного синтеза.

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.

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.

Когда нейтрон врезается в ядро, он может выбить из него кусок — альфа-частицу, то есть ядро гелия. Такие столкновения происходят в ядерных реакторах постоянно, но точно измерить их трудно: нейтрон не оставляет следа в обычном детекторе, а поймать его можно только по последствиям. В этой работе физики наполнили камеру углекислым газом и пустили туда пучок нейтронов.

Представьте переполненную комнату: каждый новый входящий усиливает давление на стены. Похожий принцип работает в нейтронной звезде — сверхплотном остатке массивной звезды, где вещество сжато до ядерных плотностей. Рост плотности вызывает рост внутреннего противодействия — давления, которое физики характеризуют отношением давления к плотности энергии (величина φ).

Когда в ядро атома попадает лишний нейтрон, оно начинает вести себя как переполненная чашка: ещё немного — и содержимое выплеснется. Физики из французского центра GANIL устроили такую «передачу» нейтрона от дейтрона (ядра тяжёлого водорода) к ядру кислорода-19. В результате рождалось ядро кислорода-20 — с одним лишним нейтроном.

Тяжёлая вода — та самая, где вместо обычного водорода его более увесистый собрат дейтерий — пропускалась через электрический ток. На катоде оседал палладий, и в этой скромной электрохимической ванне детекторы раз за разом замечали нечто неожиданное: следы медленных нейтронов. Детекторы были двух сортов.

Вода замерзает при нуле, а кипит при ста градусах. У вещества из кварков и глюонов тоже есть границы состояний, только вместо термометра здесь температура в миллионах электрон-вольт. Одна из таких границ — линия, где кварковый суп перестаёт быть супом и превращается в обычные протоны и нейтроны.

Внутри семиметрового спектрометра, похожего на высокую колонну, рождаются осколки распавшегося нейтрона. Чтобы поймать их, нужны кремниевые пластины размером с обеденный стол и толщиной с палец.

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.

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.

Атомное ядро — это не просто мешок с протонами и нейтронами. Это квантовая система, где частицы связаны невидимыми нитями запутанности. Когда два протона или нейтрона взаимодействуют, их состояния переплетаются так, что описать одно без другого невозможно.

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.

В ядре атома живут протоны и нейтроны. Но иногда туда залетает гость — частица по имени лямбда. Она похожа на нейтрон, только тяжелее и с особым свойством, которое физики называют странностью. Такое ядро с гостем называют гиперядром. В Майнце на ускорителе MAMI создали самое лёгкое гиперядро — тритон с лямбдой внутри.

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 200 раз тяжелее. Когда он останавливается в куске кремния, его затягивает в атомное ядро, как магнит затягивает гвоздь. Ядро получает лишнюю энергию и начинает «вскипать»: из него вылетают разные частицы — протоны, дейтроны, тритоны и альфа-частицы.

Зажечь миниатюрное солнце — давняя мечта человечества. Обычно учёные пытаются удержать раскалённую плазму (газ из заряженных частиц) при температурах в сотни миллионов градусов. Но плазма норовит вырваться из магнитных ловушек, и удержание стоит огромных затрат.

В ядре атома нейтроны держатся не все одинаково крепко. Если отрывать их по одному, как листья от кочана капусты, энергия отрыва каждый раз разная. Для изотопов с 149 частицами в ядре (лантан, церий, празеодим) эту энергию только что измерили заново — и одна цифра не совпала с прежней.

Нейтронная звезда — сверхплотный остаток взрыва сверхновой, существование которого предсказал Фриц Цвикки ещё в 1930-х. Позже Джоселин Белл Бернелл обнаружила их как пульсары — вращающиеся источники строго периодичных радиосигналов.

В баке с чистой водой частицы, летящие быстрее света в этой среде, оставляют голубоватые вспышки — как самолёт, преодолевший звуковой барьер, рождает гром. По таким вспышкам можно понять, что за гость пролетел: гамма-квант или нейтрон. Задача не праздная: на границах и складах нужно быстро отличать безобидный радиоактивный груз от материала, пригодного для оружия. Сначала работает простой физический порог.

Внутри атомного ядра частицы не свалены как попало. Иногда два протона и два нейтрона сбиваются в тесную четвёрку — такой мини-коллектив называют альфа-кластером. Он напоминает семью, которая в многолюдном доме держится вместе. Выбить эту четвёрку из ядра и посмотреть, как она там жила, — задача для быстрого протона. В новом опыте протон разгоняли до 392 мегаэлектронвольт и направляли в ядро кальция-40.

Кусок плотного пластика размером с монету вспыхивает, когда в него попадает невидимая частица. Так работают сцинтилляторы — материалы, которые превращают радиацию в слабый свет. Обычно их делают из хрупких кристаллов или дорогих полимеров. Но теперь появился вариант попроще: обычный полиуретан, из которого отливают мебельные поролоны и подошвы.

Через десять микросекунд после Большого взрыва Вселенная напоминала кастрюлю с кипящим бульоном. В нём плавали кварки и глюоны — частицы, из которых позже соберутся протоны и нейтроны. Бульон остывал, и в какой-то момент кварки слиплись в комочки — те самые протоны и нейтроны, из которых состоит всё видимое вещество.

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 ускорителе частиц электроны мчатся по кругу почти со скоростью света. Когда такой электрон сталкивается с фотоном — частицей света, — фотон отскакивает, как мячик от летящего грузовика, и улетает с гораздо большей энергией.

Каждый год в одних только Соединённых Штатах врачи проводят больше 16 миллионов обследований с радиоактивным изотопом технецием-99m. Он подсвечивает на снимках сердце, кости, лёгкие, помогает найти опухоль или проверить кровоток. Но сам изотоп живёт всего шесть часов, поэтому его нельзя накопить впрок — нужен постоянный подвоз.

Поймать шёпот в центре шумного вокзала — примерно такова задача физиков, которые ищут электрический дипольный момент нейтрона. Это крошечное смещение заряда внутри частицы. Если оно существует, то нарушает симметрию между веществом и антивеществом и может объяснить, почему наш мир вообще существует.

Термометр, охлаждённый почти до абсолютного нуля, замечает тепло от одной-единственной частицы. Так работают криогенные калориметры — приборы, которые ловят редчайшие события вроде безнейтринного двойного бета-распада. Но старые термометры-термисторы отвечают медленно: примерно за миллисекунду. Для нового поколения экспериментов этого мало.

На ускорителях иногда рождаются частицы, которые не вписываются в привычную схему из двух или трёх кварков. Две такие частицы — Zb(10610) и Zb(10650) — уже больше десяти лет не дают физикам покоя. Они похожи на тяжёлые аналоги пионов, но с явным признаком кваркового состава из четырёх компонентов. Вопрос в том, как эти четыре кварка упакованы.

В ускорителе частиц в Пекине антилямбда-гиперон — редкая частица антиматерии — врезается в обычный протон. Вместо того чтобы просто исчезнуть, они превращаются в целый букет других частиц: положительно заряженный каон, два пиона и иногда дополнительные нейтральные пионы. Раньше такие превращения для антилямбды не наблюдали.

Ядро атома ксенона-133 живёт всего несколько дней, а затем распадается. Сделать из него тонкую плёнку-мишень и обстреливать частицами не выйдет: плёнка исчезнет быстрее, чем её изготовят. Поэтому физики поступили наоборот — разогнали ядра ксенона-132 и направили их на мишень из дейтерия (тяжёлого водорода).

Рост кристалла сверхчистого германия напоминает выпечку капризного суфле: малейший перегрев или лишняя крупинка примеси — и весь слиток годится лишь в переплавку. Такие кристаллы — сердце детекторов, которые ловят редчайшие события: от тёмной материи до двойного бета-распада. Но лишь несколько компаний в мире умеют растить их с высоким выходом, и секреты мастерства передаются десятилетиями.