t1pt0p

Фрагмент LHC, сектор 3-4. Изображение: Maximilien Brice, CERN

Почему мы существуем? Это, пожалуй, один из самых сложных вопросов, и он может оказаться совершенно за пределами понимания физики элементарных частиц. Но новый эксперимент на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе приблизил нас к пониманию этого.

Чтобы понять почему, давайте вернемся назад во времена Большого взрыва на 13,8 миллиардов лет назад. Это событие произвело равное количество вещества, из которого состоит все материальное, а также нечто, называемое антивеществом. Считается, что каждая частица имеет аналог в виде антивещества, которое практически идентично этому веществу, но с противоположным зарядом. Когда частица и ее античастица встречаются, они аннигилируют друг друга, исчезая во вспышке света.

Почему Вселенная, которую мы видим сегодня, целиком состоит из материи, является одной из величайших загадок современной физики. Ведь при равном количестве вещества и антивещества, все во вселенной было бы уничтожено. Эксперимент LHCb со статистической достоверностью 99,9999% раскрыл новый источник асимметрии между веществом и антивеществом, позволяющий веществу доминировать во вселенной.

Основными строительными блоками из которых состоят атомы, являются элементарные частицы, называемые кварками и лептонами. Существует шесть видов кварков:

Кварки u (от англ. up — «вверх») и d (от англ. down — «вниз») называют обычными, s — кварк (от англ. strange — «странный», или sideways — «боковой») называют странным, с — кварк (от англ. charm — «шарм», «очарование») — шармированным или очарованным, b -кварк (от англ. beauty — «красота» или bottom — «нижний») — красивым или прелестным, t — кварк (от англ. truth — «истинный»).

Точно так же есть шесть лептонов: электрон, мюон, тау и три вида нейтрино.

В дополнение к «вещественным», существуют антивещественные копии этих двенадцати частиц, которые отличаются только своим зарядом.

Частицы антивещества в принципе должны быть идеальным зеркальным отражением их нормальных спутников, но эксперименты показывают, что это не всегда так. Возьмем, к примеру, частицы, известные как мезоны, которые состоят из одного кварка и одного антикварка. Нейтральные мезоны имеют удивительную особенность: они могут самопроизвольно превращаться в свой анти-мезон и наоборот. Но эксперименты показали, что это может происходить больше в одном направлении, чем в противоположном, создавая со временем больше вещества, чем антивещества.

Теории и эксперимент

Среди частиц, содержащих кварки, обнаружены такие асимметрии только у тех, которые включают странные и нижние кварки, и это были чрезвычайно важные открытия. Самое первое наблюдение асимметрии с участием странных частиц в 1964 году позволило теоретикам предсказать существование шести кварков в то время, когда было известно, что существует только три кварка. Открытие асимметрии в b частицах в 2001 году стало окончательным подтверждением шести кварковой картины. Оба открытия привели к Нобелевской премии.

И странный, и нижний кварки (s и d — кварки) несут отрицательный электрический заряд. Единственный положительно заряженный кварк, который в теории способен образовывать частицы, проявляющие асимметрию вещества и антивещества, это с — кварк (очарование). Теория предполагает, что если это так, то эффект должен быть крошечным и его трудно обнаружить.

Но эксперимент LHCb смог показать такую асимметрию в частицах, называемых D-мезонами, которые состоят из кварков очарования. Это стало возможным благодаря беспрецедентному количеству частиц очарования, полученным непосредственно в столкновениях на Большом адронном коллайдере. Результаты показывают, что вероятность статистической ошибки приблизительно равна 50 на 1 000 000 000.

Так как несколько известных случаев асимметрии не могут объяснить, почему во вселенной так много материи. Одного открытия очарования будет недостаточно, чтобы заполнить этот пробел, но это важная часть головоломки в понимании взаимодействия фундаментальных частиц.

Следующие шаги

За открытием последует увеличение количества теоретических работ, которые помогут интерпретировать результат. Но что еще более важно, он наметит дальнейшие исследования.

В предстоящее десятилетие нас ожидает модернизированный эксперимент LHCb, который будет дополнен экспериментом Belle II в Японии. Эксперимент AMS-2 на борту Международной космической станции и еще целый ряд текущих и будущих экспериментов будет посвящен вопросу о том, существует ли асимметрия вещества и антивещества среди нейтрино.

Хотя мы до сих пор не можем полностью разгадать тайну асимметрии материи и антивещества во вселенной, наше последнее открытие открыло дверь в эру точных измерений, которые могут раскрыть еще неизвестные явления.

Источник

Классические лазеры превращают энергию в поляризованный и узконаправленный поток светового излучения. Лазер является идеальным источником света, потому что генерирует свет четко определенного цвета. Устройство, разработанное исследователями из Венского технического университета, делает противоположное, оно поглощает определенную волну света и рассеивает почти всю полученную энергию.

Исследователи из Института теоретической физики Венского университета объединились с учеными из Университета Ниццы во Франции, чтобы подтвердить математическую логику антилазера и разработать стратегию превращения концепции в реальное устройство.

«До сих пор такие антилазеры были реализованы только в одномерных структурах, которые попадают под лазерное излучение с противоположных сторон. Наш подход гораздо более общий. Мы смогли показать, что даже произвольно сложные структуры в двух или трех измерениях могут идеально поглощать конкретную волну света», — сказал Стефан Роттер, возглавляющий данное исследование.

Антилазер состоит из поглощающей антенны внутри микроволновой камеры. Камера окружена тефлоновыми цилиндрами. После разделения волны на множество частичных волн, цилиндры отражают рассеянные световые волны, которые затем перекрываются и мешают друг другу выйти наружу.

При реализации этой технологии исследователям удалось добиться поглощения и рассеивания световой энергии примерно на 99,8 процента.

По словам создателей устройства, антилазерная технология может иметь множество применений, в том числе в коммуникационных технологиях и медицине. Например, для улучшения сигнала мобильной связи или для фокусировки волновой энергии в специфическую точку, а также в оптических компьютерах.

Источник

Несколько дней назад с небольшого космодрома в Северной Норвегии с интервалом в две минуты были запущены две ракеты-зонда Black Brant XI-A. После достижения высоты 320 км они выпустили трейсер – специальный рассеивающийся газ, задачей которого было подсветить северное сияние. Это дало невероятный и потрясающий цветовой эффект.

Запуск был совершен в рамках финансируемой NASA миссии AZURE, рассчитанной на два года. Ее полное название «Auroral Zone Upwelling Rocket Experiment». Она является частью серии грандиозных ракетных миссий в рамках более крупного международного проекта «The Grand Challenge Initiative – Cusp». Цель полетов – изучение области атмосферы, где линии магнитного поля планеты изгибаются, а космические частицы вступают в контакт с земными.

После достижения заданной высоты в диапазоне от 115 до 250 км приборы зондов измерили плотность и температуру, чтобы определить оптимальное время для выброса в атмосферу трейсеров — триметилалюминия и смеси бария со стронцием.

Оказавшись в атмосфере, газы ионизировались и превратились в красочные облака, что позволило исследователям лучше понять направление потоков частиц в ионосфере. Изучая движение частиц внутри северного сияния, ученые надеются лучше понять, как энергия этих явлений влияет на состояние атмосферы Земли.

Источник

UPD

Швейцарским физикам после череды изнурительных экспериментов удалось измерить то, чего фактически не существует. Это так называемая «квантовая дрожь» или «вакуумные флуктуации» – воздействие, создаваемое той частью пространства Вселенной, которую принято считать пустой. И это открывает новые возможности для создания уникальных измерительных приборов и датчиков.

Во Вселенной нет абсолютной пустоты, в этом отношении она похожа на чистый холст для картины – когда художник оставляет на нем каплю краски, она накладывается на уже имеющуюся текстуру основания. И это может исказить будущую картину, поэтому нужно научиться учитывать такие факторы. Пустота Вселенной на самом деле является ареной для событий – в конкретной точке в некое время может находиться частица или наблюдаться излучение. Но этого может и не происходить, поэтому в среднем энергия пустого пространства стремится к нулю — но все же она там есть.

Так как энергии в вакууме бесконечно мало, обычные датчики в данном случае бесполезны – их принцип работы основан на измерении воздействия частиц или энергии на чувствительный элемент. Поэтому швейцарские физики решили измерять не энергию, а сигнатуры ее воздействия на фотоны в лазерном импульсе. Они взяли очень холодный кристалл и пропустили через него импульс длиной в одну триллионную секунды, чтобы понять, как пространство между атомами повлияет на свет.

Воздействие было настолько мало, что даже работающие на грани возможностей приборы не всегда его фиксировали. Эксперимент пришлось повторить более триллиона раз, чтобы получить полезные числа и исключить погрешность. Однако в итоге физикам удалось определить точный спектр электромагнитного поля в его базовом состоянии. И эти данные уже собираются положить в основу плана модернизации детектора гравитационных волн LIGO.

Источник: techcult

Источник: nature