Новые лазеры помогут отследить движение материи в ближайших галактиках

Вариант терагерцового лазера. Иллюстрация Physorg

Расположенный в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, на глубине 100 м под землей, Большой адронный коллайдер (LHC), ускоритель элементарных частиц, в котором сталкиваются на гигантских скоростях пучки ядер, или адронов (по-гречески НАDРОN), пока самый большой инструмент подобного рода. Длина кольца LHC – 27 км. Но китайцы вскоре обещают построить собственный сталкиватель (коллайдер), который, возможно, переплюнет даже американский проект подземного кольца длиной 81 км, сооружение которого остановил в свое время Билл Клинтон.

Ядро водорода, протон, было первой – после электрона – открытой элементарной частицей. Затем был открыт нейтрон. Соответственно эти элементарные частицы имеют отрицательный, положительный и нейтральный заряды. Но к тому же обладают «половинным» спином, или магнитным вращением-моментом. Физики относят эти частицы к фермионам. К ним же относят и кварки, также имеющие дробный заряд плюс или минус 1/3. (Первый имеет «верхний», или up-кварк, а второй нижний, или down. Комбинации кварков дают протон и нейтрон.)

Среди теоретиков, с которыми работал Эйнштейн, был индиец Сатиендра Бозе (1894–1974), в честь которого названы бозоны. Они отличаются от фермионов целочисленным спином. Название частицы прогремело на весь мир в 2012 году, когда в ходе экспериментов на LHC была открыта частица, предсказанная независимо друг от друга двумя теоретиками, одним из которых был Питер Хиггс. Так физики доказали реальность существования бозона, придающего всем другим частицам массу.

Недавнее сомнение в реальности открытия, за которое дали одну из самых «быстрых» Нобелевских премий, не поколебало уверенности физиков, работающих с детекторами ATLAS и CMS в ЦЕРНе. В статьях, опубликованных журналами Physics Letters B и Physical Review Letters, авторы описывают доказательство реальности давно искомого распада бозона Хиггса.

Редакция авторитетного издания Nature подчеркнула тот факт, что окончательно доказана роль квантового поля Хиггса, ассоциированного с одноименным бозоном. Именно это бозонное поле обеспечивает появление частиц с массой и в том числе электронов. Вскоре было выяснено, что благодаря бозону Хиггса получают массу и фермионы.

Корни нового экспериментального достижения можно найти в далеком 1973 году, когда было доказано нарушение так называемой СР-четности (пространственной и заряда). Этот феномен наблюдается при «слабых» распадах. Пространственное нарушение четности проявляется в преобладании во Вселенной материи над антиматерией и, возможно, в хиральности биомолекул (белки построены из левовращающих аминокислот, а в состав ДНК и РНК входят правовращающие сахара).

Выяснено также, что b-кварки образуются при распадах top-кварка и бозона Хиггса. Теперь экспериментаторы, ободренные успехом, надеются уловить распад бозона на пару чуть более тяжелых, чем электрон, мюонов, то есть фермионов. Остается только подождать два года, которые необходимы для апгрейда коллайдера.

В силу дуалистичности квантового мира любую частицу можно представить и как волну электромагнитного излучения, спектр которого улавливается во всей своей широте – от гамма-всплесков и рентгеновского с ультрафиолетом до оптического, инфракрасного и радиодиапазонов. Неудивительно, что Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) объявило о намерении запустить в 2021 году Галактическую/Экстрагалактическую терагерцовую обсерваторию (GUSTO) для слежения за перемещением масс кислорода в межзвездном пространстве галактики Млечный Путь и ближайшей к ней галактике Большое Магелланово Облако. Успеху будущей миссии должен способствовать терагерцовый лазер, созданный специалистами Массачусетского технологического института (МИТ).

NASA выбрало этот лазер за то, что он удовлетворяет сразу трем требованиям, связанным с мощностью устройства (50–90 мВт), плотности луча и возможности частотной настройки. Космические специалисты знают, что кислород поглощает частоту 4,7 TГц, которую необходимо удерживать, чтобы следить за его перемещениями со скоростью 250 км/сек. Слежение за межзвездным кислородом позволит судить о движении космической материи, что, в свою очередь, связано с рождением звезд.