Информация свежая... и не очень

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#121   morozov »

Превращения кварков
1 августа 2005

Коллаборацией Belle в японской лаборатории KEKB впервые обнаружены распады b-кварков на d-кварки и фотоны. Этот тип распада предсказывается Стандартной моделью, но имеет очень малую вероятность, потому что он должен происходить в два этапа, и соответствующий элемент матрицы Кобаяши-Маскавы очень мал. Поэтому переходы b -> d в предшествующих экспериментах наблюдать не удавалось. В новом эксперименте при столкновении пучков электронов и позитронов рождались B-мезоны, состоящие из b-кварка и антикварка. Из 390 таких событий детектор Belle зарегистрировал 35, в которых B-мезон на rho-, либо на omega-мезоны (содержащие u- и d-кварки) и на фотоны. Еще в 30 событиях B-мезоны распадались на K-мезоны, также содержащие в своем составе d-кварки. Теории суперсимметрии также предсказывают распады b->d, поэтому новые экспериментальные результаты очень важны для проверки теоретических моделей. Источник: hep-ex/0506079

Константа слабого взаимодействия
1 августа 2005

В квантовой теории поля вакуум, окружающий заряды, является поляризуемой средой. Облако виртуальных частиц и античастиц создает экранировку, в результате чего измеренная величина заряда зависит от расстояния, на котором проводится измерение. Эффект уменьшения с расстоянием электрического заряда наблюдался экспериментально. Однако для слабых нейтральных взаимодействий, ввиду их короткодействия, выполнить аналогичные исследования до последнего времени не удавалось. Константа слабого взаимодействия измерялась лишь на расстояниях порядка 1/100 диаметра протона от заряда. Эффект экранировки константы связи слабого взаимодействия впервые зафиксирован в эксперименте E158, выполненном в Стэндфордском центре линейных ускорителей (SLAC). Причем исследованы расстояния порядка 10 диаметров протона, где константа связи в два раза меньше, чем на малых расстояниях. Исследовались рассеяния пучка поляризованных электронов на электронах криогенной мишени. Большинство электронов рассеивались чисто электромагнитным путем за счет обмена фотонами, но небольшая часть - за счет обмена W-бозонами. Из-за нарушения четности в слабых взаимодействиях в рассеянии противоположно поляризованных электронов наблюдалась слабая асимметрия, по величине которой был рассчитан слабый угол смешивания (параметр Стандартной модели). С достоверностью 6 стандартных отклонений обнаружена зависимость угла смешивания от расстояния, что свидетельствует об уменьшении константы связи при увеличении расстояния. Это уменьшение силы взаимодействия, вызванное поляризацией вакуума, является дополнительным к тому уменьшению, которое обусловлено массивностью Z- и W-бозонов - переносчиков слабого взаимодействия. Результаты эксперимента находятся в точном согласии с предсказанием Стандартной модели элементарных частиц и накладывают жесткие ограничения на возможные поправки к этой модели. Источник: hep-ex/0504049

Турбулентность сверхтекучей жидкости
1 августа 2005

В университете г.Ланкастер (Великобритания) впервые наблюдалась турбулентность в сверхтекучей жидкости. Обычно сверхтекучая жидкость движется без трения, однако при неоднородном движении жидкости течение происходит вдоль вихревых линий, которые либо оканчиваются на границе жидкости, либо замкнуты в кольца. Уже давно теоретически предсказывалось, что при большой концентрации вихрей они должны взаимодействовать друг с другом, что приводит к турбулентному характеру движения. S.Fisher и его коллеги экспериментально обнаружили это явление в сверхтекучем гелии-3 при температуре 100мкК. В сверхтекучую жидкость погружалась колеблющаяся проволочная петля. Тепловые волны, распространявшиеся от петли, вызывали появление вихрей и, рассеиваясь как квазичастицы, оказывали на петлю обратное механическое воздействие даже после остановки ее колебаний за счет внешней силы. Таким образом, наблюдая за петлей, можно судить о количестве в жидкости вихрей. При малой амплитуде и частоте колебаний петли воздействие на нее прекращалось сразу после остановки колебаний, что говорило о малом числе вихрей. Но при более сильных колебаниях воздействие останавливалось не сразу, а затухало по экспоненциальному закону в течение 10 секунд. Это свидетельствовало о большом числе взаимодействующих друг с другом вихрей, которые в течение некоторого времени сохраняли турбулентное движение. Источник: Phys. Rev. Lett. 95 035302 (2005)

Флуктуации магнитного момента в жидком металле
1 августа 2005

Ранее считалось, что такие жидкие металлы, как ртуть, алюминий, галлий и свинец не имеют магнитных свойств. Однако M.Patty, K.Schoen и W.Montfrooij (университет шт.Миссури) установили, что на пикосекундных интервалах времени микроскопические объемы этих жидких металлов обладают флуктуирующими магнитными моментами. Этот вывод был сделан на основе данных по нейтронному рассеянию. При столкновении двух атомов жидкого металла один из атомов может потерять электрон внутренней электронной оболочки, приобретя таким образом нескомпенсированный магнитный момент. Этот момент сохраняется у иона на масштабе времени, равном времени между столкновениями - порядка 10-12с. На микроуровне эффект весьма велик, например, атомы ртути в течение 20% времени имеют неспаренные электроны и, соответственно, магнитные моменты. Источник: cond-mat/0506612

Лазерный ускоритель
1 августа 2005

Новый рекорд по ускорению электронов лазерным излучением установлен международным коллективом исследователей под руководством K.Krushelnick. Путем фокусировки луча лазера Vulkan на пучке гелия электроны были ускорены до энергии около 300МэВ. В предшествующих опытах лазерное излучение, смещая заряды, создавало в плазме сильное электрическое поле, которое и ускоряло электроны. Новым качественным моментом описываемого эксперимента стало обнаружение порога интенсивности излучения 1020Ватт/см2, при котором ускорение начинает производиться преимущественно не электрическим полем, а самим лазерным светом. В то же время, этот эффект служит ограничением на энергию ускоренных электронов, что создает трудности для дальнейшего наращивания энергии. Хотя по энергии частиц лазерные ускорители значительно уступают обычным, они гораздо компактнее и дешевле. Об использовании лазеров в ядерной физике см. УФН 170 288 (2000) и УФН 172 1294 (2002). Источники: Phys. Rev. Lett. 94 245001 (2005)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#122   morozov »

май 2006 ? 5 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика
ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ
Чандрашекар Джоши

В новых ускорителях элементарные частицы будут накапливать колоссальную энергию, скользя на гребнях плазменных волн.

С помощью ускорителей элементарных частиц физики пытаются разгадать фундаментальные загадки природы. В этих гигантских установках заряженные частицы разгоняют почти до скорости света и затем сталкивают их друг с другом, воссоздавая условия, существовавшие в момент рождения Вселенной. Анализируя результаты столкновений, ученые стремятся понять, как связаны между собой, казалось бы, несопоставимые силы и частицы, и как можно было бы описать их взаимодействие в рамках единой теории. Но чем ближе физики подходят к разгадке сокровенных тайн творения, тем более мощные и дорогие ускорители требуются для проведения экспериментов.

Самый мощный ускоритель строится сейчас в Европейской лаборатории физики элементарных частиц (CERN). Речь идет о Большом адронном коллайдере (LHC) диаметром 8,6 км, который будет введен в эксплуатацию в 2007 г. Протоны в нем будут разгоняться под действием семи триллионов вольт, и их столкновения расскажут нам, откуда берется масса частиц (см. ?Загадки массы?, ?ВМН?, ?10, 2005 г.). С помощью уже действующих установок ученые пытаются получить кварк-глюонную плазму (исходное состояние материи) и разобраться, почему во Вселенной вещества больше, чем антивещества. Сегодня во всех ускорителях используется старая, громоздкая технология разгона заряженных частиц СВЧ-излучением.
Изображение
Плазменные ускорители разгоняют электроны до нескольких сотен МэВ и при этом помещаются на лабораторном столе.
ОБЗОР: ПЛАЗМЕННЫЙ СЕРФИНГ
# Десятилетиями для ускорения элементарных частиц до околосветовых скоростей использовались СВЧ-резонаторы. Из них состоит и Большой адронный коллайдер (LHC) диаметром 8,6 км, который будет запущен в 2007 г.
# Существенно уменьшить размеры и стоимость ускорителей высокой энергии позволит технология разгона электронов и позитронов, скользящих на вершине электромагнитной волны, возбуждаемой в плазме. Новая методика уже была проверена в лабораторных экспериментах.
# На основе плазменных устройств можно будет создавать настольные ускорители низкой энергии для проведения исследований в области материаловедения, структурной биологии, ядерной медицины и стерилизации пищевых продуктов.
Последние три четверти века мощность ускорителей каждые 10 лет возрастала примерно на порядок, что позволило ученым сделать множество фундаментальных открытий в ядерной физике и физике элементарных частиц. Но продолжится ли такой прогресс? Ускорители на СВЧ-излучении, похоже, достигли предела своих возможностей. В 1993 г. конгресс США прекратил финансирование сверхпроводникового суперколлайдера диаметром 28 км и стоимостью $8 млрд., который был бы вдвое мощнее, чем LHC. Теперь физики надеются, что следующим после LHC будет построен линейный коллайдер длиной 30 км, но нет никакой уверенности, что многомиллиардный проект не разделит судьбу суперколлайдера. Как нельзя более кстати появились новые методы ускорения частиц с помощью плазмы, применение которой позволит значительно уменьшить размеры и стоимость ускорителей для физики самых высоких энергий (100 ГэВ и больше).

Помимо гигантских ускорителей, работающих на предельно высоких энергиях, существуют машины и поскромнее. Они используются в материаловедении, структурной биологии, ядерной медицине, а также для изучения термоядерного синтеза, стерилизации пищевых продуктов, переработки ядерных отходов и лечения некоторых видов рака. В таких установках энергия электронов или протонов относительно невелика (от 100 МэВ до 1 ГэВ), но, тем не менее, они занимают много места. В ближайшем будущем им на смену скорее всего придут настольные плазменные ускорители.

РЕЖИМ ПУЗЫРЯ
В ускорителе с кильватерным полем используется ускоряющая сила, создаваемая возмущенным распределением зарядов, которое называют кильватерным полем. Ведущий лазерный или электронный импульс выталкивает электроны плазмы (белые) на периферию, оставляя за собой область положительного заряда (зеленая). Она втягивает отрицательно заряженные электроны назад, и позади ведущего импульса формируется электронный пузырь. Вдоль оси распространения пучка электрическое поле (изображено внизу) напоминает очень крутую, готовую обрушиться океанскую волну. Кильватерное поле придает мощное ускорение ведомому электронному импульсу, захваченному задней частью пузыря.
Изображение
СВЧ-излучение и плазма

Прежде чем приступить к рассмотрению новой технологии, познакомимся с классическими ускорителями поближе. Во-первых, они ускоряют либо легкие элементарные частицы (электроны и позитроны), либо тяжелые (протоны и антипротоны). Во-вторых, частицы могут разгоняться либо за один проход по прямой, либо за несколько круговых оборотов. Например, LHC представляет собой кольцевую установку, в которой будут сталкиваться два пучка протонов. После LHC физики надеются построить линейный коллайдер электронов и позитронов с энергией в точке столкновения порядка 0,5 ТэВ. При таких энергиях электроны и позитроны должны разгоняться по прямой, поскольку круговое ускорение привело бы к чрезмерным энергетическим потерям на синхротронное излучение. Плазменные ускорители лучше всего подходят именно для линейного ускорения легких частиц.

Обычный линейный коллайдер ускоряет частицы электрическим полем, которое движется синхронно с ними. В объемном резонаторе с замедленной волной (металлическая трубка с периодически расположенными диафрагмами) с помощью мощного СВЧ-излучения создается электрическое поле. При напряженности поля от 20 МВ/м до 50 МВ/м происходит электрический пробой: с металлических стенок резонаторов проскакивают электрические искры, и ток в них резко падает. Поскольку напряженность электрического поля должна быть ниже порога пробоя, для разгона частиц до больших энергий требуются большие расстояния. Например, чтобы получить триллионвольтный пучок частиц, необходим ускоритель длиной 30 км. Если бы мы не были ограничены пределом электрического пробоя, его можно было бы сделать более компактным.

В ускорителях нового типа роль ускоряющей структуры играет ионизированный газ, т.е. плазма. Одним из основных элементов конструкции становится электрический пробой, поскольку он необходим для ионизации газа. В качестве источника энергии используется не СВЧ-излучение, а луч лазера или пучок заряженных частиц.

Казалось бы, ни то, ни другое не подходит для ускорения элементарных частиц: и в лазерном луче, и в потоке заряженных частиц есть сильные электрические поля, но их векторы перпендикулярны направлению распространения. А ведь в ускорителе электрическое поле должно быть продольным, т.е. направленным в сторону движения разгоняемых частиц. К счастью, когда лазерный луч или пучок заряженных частиц проходит через плазму, в ней может возникать мощное продольное электрическое поле.

Плазма в целом электрически нейтральна и содержит равные количества отрицательных (электроны) и положительных (ионы) зарядов. Импульс мощного лазера или сгусток частиц создают в плазме возмущение. По существу, луч срывает легкие электроны с более тяжелых положительных ионов, в результате чего возникают области избытка положительных и избытка отрицательных зарядов (см. рис. сверху). Возмущение образует волну, которая перемещается в плазме почти со скоростью света. Мощное электрическое поле, направленное от области положительного заряда к области отрицательного, ускоряет попавшие в него заряженные частицы.

Ионизированный газ может поддерживать ускоряющие электрические поля фантастической величины. Например, в плазме, содержащей 1018 электронов в 1 см3 (довольно обычная величина), может возникнуть волна с пиковым электрическим полем -100 ГВ/м ? в тысячу раз больше, чем в обычном ускорителе на СВЧ-излучении. Однако существует принципиальная проблема: типичная длина СВЧ-волны составляет 10 см, а длина плазменной волны ? всего 30 мкм, и разместить в ней сгусток ускоряемых электронов очень сложно.

Описанный метод ускорения элементарных частиц с помощью плазмы был предложен еще в 1979 г. Джоном Доусоном (John M. Dawson) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Но прошло почти полтора десятка лет, прежде чем был поставлен эксперимент, в котором электроны разгонялись в волнах плазмы. Автор статьи вместе с коллегами из UCLA однозначно решил эту задачу в 1993 г. Особого внимания заслуживают два новых вида ускорителей: с лазерным и с плазменным кильватерными полями. Лазерное кильватерное поле найдет широкое применение в настольных ускорителях небольшой мощности, а плазменное ? в сверхмощных коллайдерах, которые будут обеспечивать наибольшую энергию столкновений.

УСКОРИТЕЛЬ С ЛАЗЕРНЫМ КИЛЬВАТЕРНЫМ ПОЛЕМ

В настольном плазменном ускорителе высокоинтенсивный луч лазера фокусируется на сверхзвуковой струе газообразного гелия (слева). Световой импульс создает в струе газа плазму, и кильватерное поле ускоряет некоторые из ее электронов. Получившийся электронный импульс коллимируется и проходит через магнитное поле, отклоняющее частицы соответственно их энергиям. Такой ускоритель может разместиться на столе размером 1,2 м на 1,8 м.

Снимки электронных пучков (справа), сделанные в Лаборатории прикладной оптики Французского политехнического института, демонстрируют, как было преодолено главное препятствие. Хотя некоторые электроны ускорялись до 100 МэВ, нижняя граница диапазона энергий доходила до 0 МэВ (a). Кроме того, пучок расходился на целый градус. Напротив, в экспериментах с недавно открытым режимом пузыря удалось получить хорошо сфокусированный моноэнергический пучок с энергией около 180 МэВ (б).

Изображение
Импульсы света

Сегодня мы можем говорить о создании настольных плазменных ускорителей, поскольку в нашем распоряжении есть компактные титан-сапфировые лазеры, генерирующие ультракороткие световые импульсы мощностью до 10 ТВт. Когда такой импульс направляют на струю гелия длиной 2 мм, он мгновенно срывает с молекул газа электроны, создавая плазму.

Световое давление лазерной ?пули? настолько велико, что электроны ?выдуваются? наружу во всех направлениях. Покинутые ими ионы притягивают их обратно, и электроны устремляются к оси, вдоль которой распространяется лазерный импульс, проскакивают ее и снова движутся наружу. В результате возникают волнообразные колебания, которые называются лазерным кильватерным полем.

Электроны образуют своеобразный пузырь диаметром приблизительно 10 мкм. Около его фронта движется лазерный импульс, создающий плазму. Внутренняя часть пузыря состоит из ионов, а электрическое поле в нем напоминает чрезвычайно высокую океанскую волну. Возможны и другие конфигурации, но в режиме пузыря ускорение электронов обеспечивается наиболее надежно.

Когда электронная пушка впрыскивает электроны в то место плазмы, где они уже есть в избытке, новые частицы под действием электрического поля устремляются к положительным зарядам внутри пузыря. Волна движется вперед со скоростью света, поэтому инжектируемые электроны должны иметь околосветовую скорость, чтобы поймать волну и получить от нее дополнительную энергию. Согласно теории относительности дальнейшее увеличение энергии электронов происходит главным образом за счет увеличения их массы, а не скорости. Поэтому они не опережают плазменную волну, а как бы скользят на ее гребне, приобретая все большую энергию. Некоторые электроны самой плазмы точно так же захватываются и ускоряются, словно пена, подхваченная гребнем океанской волны.

В 2002 г. Виктор Малка (Victor Malka) из Лаборатории прикладной оптики Французского политехнического института показал, что с помощью управляемого лазером кильватерного поля можно создавать хорошо сфокусированный пучок, содержащий 108 электронов. К сожалению, диапазон энергии ускоренных электронов оказался очень широк (от 1 МэВ до 200 МэВ). В большинстве случаев требуются пучки электронов с одинаковой энергией.

Вскоре для получения низкоэнергетических электронных пучков можно будет использовать настольные плазменные ускорители.

Большой разброс энергии обусловлен тем, что электроны захватываются волной поля в разных точках и в разное время. В обычном ускорителе частицы вводятся в одном месте недалеко от пика электрического поля. Ученые считали, что такой точный впрыск в ускорителе с лазерным кильватерным полем невозможен, т.к. ускоряющая структура имеет микроскопические размеры и существует в течение очень короткого времени. Однако в 2004 г. три конкурирующие группы исследователей из США, Франции и Великобритании одновременно обнаружили новый физический режим, в котором самозахваченные электроны движутся как единое целое и достигают одной и той же энергии. Все три группы использовали лазеры более высокой мощности, чем прежде (от 10 ТВт и выше). Когда столь мощный лазерный импульс проходит через плазму, он становится короче и же и создает большой электронный пузырь, захватывающий электроны из плазмы. Таких самозахваченных электронов оказывается настолько много, что они отбирают у кильватерной волны довольно много энергии, и захват новых частиц прекращается. Самые энергичные электроны в авангарде сгустка опережают волну и начинают терять энергию, тогда как отставшие электроны с меньшей энергией продолжают ее набирать.

В результате получается пучок электронов с узким распределением энергии. Например, в экспериментах Малки ее разброс был снижен со 100% до 10% при интенсивности пучка порядка 109 электронов. Заметно уменьшилось и его угловое рассеяние: оно оказалось сопоставимым с угловым рассеянием пучков, создаваемых лучшими линейными СВЧ-ускорителями. Полученные пучки электронов фактически представляли собой импульсы длительностью всего 10 фс, т.е. были самыми короткими из когда-либо созданных в ускорителях. Поэтому их можно использовать в качестве источника излучения для изучения сверхбыстрых химических и биологических процессов. Если такой электронный импульс направить на тонкую металлическую мишень, то можно получить столь же короткий рентгеновский импульс. Вероятно, вскоре рентгеновское излучение, получаемое с помощью настольных ускорителей, найдет множество применений.

В принципе, ускоритель с лазерным кильватерным полем может разгонять электроны до энергии порядка 1 ГэВ, но для этого нужно получить плазменную волну, которая сохраняется на протяжении целого сантиметра, а не пары миллиметров. Чтобы возбуждающий ее лазерный луч как можно дольше сохранял свою интенсивность, необходимо создать для него плазменный световод. Наиболее перспективным считается метод предварительного формирования плазменного световода, который разрабатывают исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. В этом методе плотность электронов около оси плазмы ниже, чем на периферии. Поэтому коэффициент преломления в центре плазменного канала оказывается выше, чем на периферии, и канал ведет себя как оптоволокно, направляющее лазерный луч. Эксперименты в Беркли уже показали, что такие каналы позволяют получить моноэнергетические пучки электронов. Дальнейшее усовершенствование технологии, вероятно, приведет к появлению настольных плазменных ускорителей ГэВ-класса.

ДОЖИГАТЕЛЬ ПЛАЗМЫ

Ускорение в плазменном кильватерным поле недавно было продемонстрировано на Стэнфордском линейном коллайдере (SLC). В плазменной установке энергия пучка электронов увеличивалась на 4 ГэВ на пути всего 10 см, для чего на обычном СВЧ-ускорителе потребовалась бы секция длиной 200 м.

В специальной печи испаряются таблетки лития. Интенсивный электронный импульс (красный) ионизирует пар и создает плазму. Он ?выдувает? электроны плазмы (синие) наружу, формируя позади себя возмущенное распределение зарядов, создающее ускоряющее поле. Электроны, находящиеся в кильватерном поле, испытывают мощное ускорение (оранжевые стрелки).

Изображение
Приближение к предельной энергии

А нельзя ли использовать компактные плазменные ускорители для разгона элементарных частиц до энергий порядка 1 ТэВ? В принципе, можно было бы последовательно соединить сотни компактных лазерно-плазменных ускорительных модулей, дающих приращение энергии по нескольку ГэВ. Аналогичная каскадная схема используется для получении высоких энергий с помощью традиционных СВЧ-ускорителей. Однако каскадирование плазменных ускорителей сопряжено с огромными трудностями.

Сегодня предпочтение отдается методу дожигания плазмы, при котором ускоритель с плазменным кильватерным полем удваивает энергию частиц, разогнанных обычным ускорителем. Последний выдает два импульса электронов или позитронов с энергией порядка нескольких сотен ГэВ. В первом импульсе (его называют ведущим) содержится в три раза больше частиц, чем во втором (ведомом). И длительность каждого импульса, и временной интервал между ними обычно составляет 100 фс. Как и в лазерном ускорителе, плотный ведущий импульс попадает в менее плотную плазму и создает пузырь с кильватерным полем. Процесс протекает так же, как в ускорителе с лазерным кильватерным полем, но электроны разбрасываются не световым давлением луча, а электрическим полем ведущего импульса. Затем ведомый импульс попадает в электронный пузырь и быстро ускоряется продольной составляющей полученного электрического поля.

Ускоритель с плазменным кильватерным полем вызвал большой интерес у физиков, занимающихся совершенствованием ускорительной техники. Столь привлекательным его сделали достижения ученых из UCLA, Университета Южной Калифорнии и Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC). Прежде всего им удалось создать плазменный ускоритель метровой длины как для электронов, так и для позитронов. Большое искусство потребовалось для того, чтобы научиться поддерживать устойчивость ведущих пучков на таком расстоянии. Кроме того, физики продемонстрировали увеличение энергии электронов более чем на 4 ГэВ на дистанции всего 10 см. Самое главное, что нет никаких принципиальных препятствий для еще большего увеличения энергии: достаточно просто удлинить участок с плазмой.

Наконец, ученые показали, что плазма улучшает фокусировку электронного или позитронного луча как минимум в два раза. Это весьма существенно для коллайдеров, в которых ускоренные частицы должны быть сфокусированы на очень маленьком пятнышке. Чем сильнее сосредоточены пучки, тем больше происходит столкновений, количество которых является столь же важным параметром коллайдера, как и их энергия.

Перечисленные успехи позволяют задуматься об использовании плазменной схемы для достижения верхней границы энергий. Однако сначала технику следует проверить на работающем ускорителе, используя его как первую ступень. Например, пару плазменных устройств длинной 10 м можно было бы установить по обе стороны от точки столкновения на Стэнфордском линейном коллайдере, чтобы увеличить энергию частиц с 50 ГэВ до 100 ГэВ. Хотя проект еще не профинансирован, SLAC уже предложил министерству энергетики построить линию SABER для ускорения частиц до высоких энергий, чтобы продолжить исследования.

На участке длиной 10 см плазменный ускоритель увеличивает энергию электронов на 4 ГэВ.

Мы рассмотрели принцип действия ускорителей применительно к разгону электронов. Чтобы ускорять позитроны или другие положительно заряженные частицы, нужно перевернуть электрическое поле. Например, можно использовать в качестве ведущего пучок позитронов. Его положительный заряд будет затягивать электроны плазмы внутрь, а они, как и прежде, будут проскакивать центральную ось и образовывать пузырь. При этом направление электрического поля изменится на противоположное тому, которое наблюдалось бы в случае электронного импульса, что и требуется для ускорения ведомого импульса позитронов.

Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ.

Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени).

Создателям обычного ускорителя потребовалось 75 лет, чтобы довести энергию столкновения электронов с позитронами до 200 ГэВ. Технология плазменных ускорителей развивается гораздо быстрее, и ученые надеются выйти за пределы возможностей СВЧ-систем для физики высоких энергий всего за пару десятилетий.

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГИИ ОБЫЧНОГО УСКОРИТЕЛЯ
Эксперимент с использованием Стэнфордского линейного коллайдера (SLC) мог бы продемонстрировать возможность применения плазменных дожигателей с кильватерным полем для повышения энергии обычного ускорителя. Десятиметровые дожигатели, установленные на выходах трехкилометрового SLC, должны увеличивать энергию предварительно разогнанных электронов и позитронов с 50 ГэВ до 100 ГэВ. Плазменные линзы помогут сфокусировать пучки с удвоенной энергией, чтобы они сталкивались в одной точке. Электронный дожигатель должен быть заполнен плазмой, а в позитронном должен быть полый осевой канал. Описанный эксперимент пока не профинансирован.
Изображение

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА:
# Plasma Particle Accelerators. John M. Dawson in Scientific American, Vol. 260, No. 3, pages 54-61; March 1989.
# Plasma Accelerators at the Energy Frontier and on Tabletops. Chandra-shekhar Joshi and Thomas Katsouleas in Physics Today, Vol. 56, No. 6; pages 47-53; June 2003.
# Accelerator Physics: Electrons Hang Ten on Laser Wake. Thomas Katsouleas in Nature, Vol. 431, pages 515-516; September 30, 2004. Also three research reports in the same issue.
# The Lasers, Optical Accelerator Systems Integrated Studies (L?OASIS) Group at the University of California, Berkeley: http://loasis.lbl.gov/
# Stanford?s Plasma Wakefield Accelerator Experiment: www.slac.stanford.edu/grp/arb/e164/index.html

ОБ АВТОРЕ:
Чандрашекар Джоши (Chandrashekhar Joshi) ? профессор электротехники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Он руководит Центром высокочастотной электроники и установкой ?Нептун? для углубленных исследований ускорительной техники в UCLA. Автор новейших методов ускорения элементарных частиц, Джоши известен работами, посвященными нелинейной оптике плазмы, взаимодействию интенсивного лазерного излучения с веществом и применению плазмы в ядерном синтезе, ускорителях и источниках света
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#123   morozov »

Регистрация геонейтрино
1 сентября 2005

Нейтринным детектором KamLAND (Kamioka Liquid scintillator antineutrino detector, Япония) впервые зарегистрированы антинейтрино, образовавшиеся при распадах радиоактивных элементов внутри Земли. KamLAND представляет собой баллон диаметром 13 метров, заполненный 1000 тоннами жидкого сцинтиллятора. Регистрируемые в сцинтилляторе фотоны излучались позитронами, рождавшимися в реакции обратного бета-распада с энергетическим порогом 1.8МэВ. Основным источником геонейтрино являются распады элементов 238U, 235U, 232Th и 40K, но лишь 238U и 232Th дают антинейтрино с энергиями выше порога. В эксперименте в течение двух лет регистрировалось примерно по одному геонейтрино в месяц. Основной трудностью предшествующих экспериментов являлось выделение сигнала над фоном, производимым, преимущественно, атомными реакторами, поэтому ранее удавалось получить лишь верхний предел на темп генерации геонейтрино. Теоретические предсказания также были не вполне точны из-за неопределенностей модели внутреннего строения Земли. Поскольку распады радиоактивных элементов приводят к выделению тепловой энергии, то наблюдение геонейтрино поможет уточнить историю разогрева недр Земли после ее формирования. Тем самым, изучение нейтрино впервые получило практическое применение в геофизике. Источник: Nature 436 499 (2005)

Микроволновод
1 сентября 2005

Дифракционный предел ограничивает сечение оптических волноводов величиной l/2n, где l - длина волны света в вакууме, а n - показатель преломления вещества волновода. Недавно были выполнены эксперименты, в которых свет преобразовывался в поверхностные плазмоны, и лишь затем передавался по волноводу. Поскольку для плазмонов эффективная величина n очень велика, то сечение волновода могло быть гораздо меньше, чем в случае фотонов. В этих экспериментах волноводами служили микроскопические щели в фотонных кристаллах, металлические ленты, либо цепочки металлических наночастиц. Однако эти волноводы имели ряд недостатков, таких как сложность их производства и потери в них энергии волны. Значительно более эффективный диэлектрический волновод для плазмонов создали И.И.Смолянинов, Yu.J.Hung и C.C.Davis в Мэрилендском университете. Литографическим методом на металлическую пленку наносились микроскопические участки из диэлектрика с периодом 500нм в двух направлениях. Этот двумерный массив служил преобразователем световой волны в поляритоны, которые затем фокусировались параболическим зеркалом в тонкий луч, способный распространяться вдоль диэлектрических волноводов изогнутой формы. Ввиду большой величины n вблизи плазмонного резонанся, таким путем можно изготавливать волноводы толщиной до десятых долей нанометра. По сравнению с другими типами плазмонных волноводов, частота колебаний сигнала, передаваемая через диэлектрический волновод, может быть сделана существенно меньше и, соответственно, значительно уменьшены потери энергии сигнала. Описываемые эксперименты показали, что с помощью диэлектрических волноводов размер оптоэлектронных приборов может быть уменьшен, как минимум, на порядок. Источник: cond-mat/0508070

Ускоритель на основе фотонного кристалла
1 сентября 2005

Е.И.Смирнова и ее коллеги из Массачусетского технологического института показали, что метаматериалы, имеющие структуру фотонных кристаллов, могут применяться для улучшения качества электронных пучков в ускорителях и для дополнительного ускорения электронов в пучках. Созданный ими фотонный кристалл представлял собой массив металлических стержней треугольного сечения, в котором отсутствовал один центральный стержень. Такой фотонный кристалл может пропускать электромагнитные волны с частотой 17ГГц. Пучок электронов с энергиями 16.5МэВ от ускорителя направлялся вдоль оси массива и подвергался воздействию микроволновых импульсов. В результате, энергия пучка возрастала на 1.4МэВ, причем ускорительный градиент составлял значительную величину - 35Мэв на метр. Фотонный кристалл усиливал и пропускал лишь одну основную моду пучка, что существенно уменьшало нестабильности, связанные с генерацией овертонов. Источник: Phys. Rev. Lett. 95 074801 (2005)

Сверхтонкие кристаллы
1 сентября 2005

Исследователи из Манчестерского университета и Института микроэлектронных технологий (Черноголовка, Россия) разработали методику получения двумерных кристаллов толщиной всего в один слой атомов. Методика позволяет получить слой атомов практически любого кристалла, у которого в объемном образце связь между слоями мала. Отщепление единичных слоев производилось путем трения грани кристалла о другую поверхность. Таким путем были, например, получены двумерные кристаллы нитрида бора, графита и различных сложных оксидов. При трении грани кристалла о поверхность получались слои различной толщины и формы. С помощью оптического, электронного и атомного силового микроскопа отбирались наиболее правильные образцы, состоящие из одного слоя атомов. Дальнейшее изучение этих слоев показало, что даже в обычных условиях (при комнатной температуре в воздушной среде) они остаются стабильными несколько недель, сохраняя свою структуру и электронные свойства. Новая технология позволит проверить теоретические модели двумерных кристаллов и может найти ряд практических применений в микроэлектронике. Источник: Proc. Natl. Acad. Sci. 102 10451 (2005)

Плазменные струи
1 сентября 2005

Активность многих астрофизических объектов, например, квазаров и молодых звезд сопровождается выбросами тонких плазменных струй (джетов). Предполагается, что основную роль в образовании струй играет мощное магнитное поле, однако достоверно механизм ускорения и коллимации пока не установлен. P.M.Bellan и его коллеги выполнили лабораторный эксперимент, в котором подобные струи наблюдались в малом масштабе. Авторы эксперимента полагают, что наблюдаемые ими струи в общих чертах схожи и могут служить моделью астрофизических струй. Вокруг металлического диска (катода) располагалось плоское металлическое кольцо (анод). Диск и кольцо моделировали, соответственно, центральный объект, например, черную дыру и аккреционный диск. Вдоль общих радиусов в диске и в кольце были проделаны сопла, через которые в установку впрыскивалась плазма. Между диском и кольцом создавалась разность потенциалов, вызывающая в плазме элетрический ток, а внешним магнитом создавалось полоидальное магнитное поле. Сначала плазма образовывала между парами сопел арки, затем арки сливались, и происходила коллимации плазмы в тонкую струю вдоль оси диска. Струя существовала в течение нескольких десятков микросекунд и затем разрушалась в результате неустойчивостей. Источник: Phys. Rev. Lett. 95 045002 (2005)

Новости не опубликованные в журнале


Новый тип вихрей в магнитосфере
5 сентября 2005

По измерениям магнитного поля, выполненным четырьмя европейскими спутниками "Cluster", выявлен новый вид вихревых структур в турбулентной плазме земной магнитосферы. Вихри имеют размер в несколько десятков километров, и их наблюдаемая структура находится в хорошем согласии с теоретическими предсказаниями. Источник: physicsweb.org.

Движение микрокапель
5 сентября 2005

Группой исследователей из Японии обнаружено явление перемещения микроскопических капель воды вдоль паралельных изолированных электродов, к которым прикладывалось электрическое поле. Движение может происходить в любом из двух направлений. Объяснением явления служит малая начальная несимметрия капель и оставляемый ими на изоляторе влажный след, создающий возмущение в электрическом поле. Источник: physicsweb.org.
"Жидкий транзистор"
5 сентября 2005

P. Yang и его коллеги из Калифорнийского университета создали жидкостный аналог транзистора, в котором поток через кремниевую нанотрубку растворенных в жидкости ионов регулируется электрическим потенциалом, приложенным к затвору. "Транзистор" может найти применение в исследованиях по биохимическому анализу. Источник: focus.aps.org.

Диод из нанотрубки
5 сентября 2005

J.U. Lee из компании GE Global Research (Нью-Йорк) создал диод с почти идеальной вольт-амперной характеристикой. Диод состоит из углеродной нанотрубки с прикресленными к ней микроконтактами. Области p и n индуцируются в нанотрубке под действием электрического поля. Источник: physicsweb.org.
Геонейтрино
5 сентября 2005

Нейтринным детектором KamLAND впервые зарегистрированы антинейтрино, образовавшиеся при распадах радиоактивных элементов 238U и 232Th внутри Земли. Поскольку распады радиоактивных элементов приводят к выделению тепловой энергии, то наблюдение геонейтрино поможет уточнить историю разогрева недр Земли после ее формирования. Источник: physicsweb.org.

Новая планета?
5 сентября 2005

На расстоянии от Солнце, в два раза большем радиуса орбиты Плутона, астрономы обнаружили планетоподобный объект размером 2300-3200 км. Предполагается, что по это космическое тело состоит из льда и пыли. Источник: physicsweb.org.

Двумерные кристаллы
5 сентября 2005

Исследователи из Манчестерского университета и Института микроэлектронных технологий (Черноголовка, Россия) разработали методику получения двумерных кристаллов толщиной всего в один слой атомов. Отщепление единичных слоев производилось путем трения грани кристалла о другую поверхность. С помощью оптического, электронного и атомного силового микроскопа отбирались наиболее правильные образцы, состоящие из одного слоя атомов. Источник: physicsweb.org.

Ускоритель на основе фотонного кристалла
5 сентября 2005

Е.И.Смирнова и ее коллеги из Массачусетского технологического института показали, что метаматериалы, имеющие структуру фотонных кристаллов, могут применяться для улучшения качества электронных пучков в ускорителях и для дополнительного ускорения электронов в пучках. В проведенных экспериментах энергия пучка возрастала на 1.4МэВ, причем ускорительный градиент составлял значительную величину - 35Мэв на метр. Источник: www.aip.org.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#124   morozov »

Получено томографическое изображение молекулярной орбитали
28.01.05

Канадские ученые, используя для реконструкции изображения метод компьютерной томографии, научились получать трехмерное изображение отдельной молекулярной орбитали.
Рис. 1. a - схематическое изображение убегания электронного волнового пакета (Yc) под действием лазерного поля, оранжевая линия - эквипотенциальный контур для энергии чуть выше положения наивысшей занятой молекулярной орбитали; b - возвращающийся волновой пакет, сталкивающийся с молекулой (показана реальная часть волновой функции).
Изображение
Понятие одноэлектронных волновых функций (орбиталей) было введено для описания электронной структуры молекул и описывает состояние отдельного электрона, находящегося в усредненном поле всех остальных электронов и ядер. На протяжении десятилетий это понятие оставалось "математической абстракцией", поскольку орбитали не были доступны непосредственному экспериментальному наблюдению. С развитием экспериментальной техники появились методы, позволяющие достаточно детально исследовать распределение электронной плотности в молекулах. С этой целью может использоваться, например, сканирующая туннельная микроскопия, позволяющая работать с молекулами на поверхности твердого тела (неизбежной платой за это является искажения распределения электроной плотности). Есть и методы, позволяющие работать с молекулами в газовой фазе: таков, например, вариант фотоэлектронной спектроскопии, позволяющий как бы "подсвечивать" молекулу электронами изнутри ), что дает возможность регистрировать дифракционную картину, отражающую распространение электронной волны в трехмерном потенциале молекулы. Однако ни один из существующих методов не позволял получить неискаженное трехмерное изображение электронной волновой функции (включая информацию о ее фазе).

Канадские ученые применили для получение трехмерного изображения отдельных молекулярных орбиталей метод компьютерной томографии. Этот метод используется для исследования сложных объектов: восстановление изображения объекта со сложной внутренней структурой происходит на основании анализа пространственного распределения интенсивности излучения, прошедшего через объект (трехмерное изображение объекта реконструируется по большому набору одномерных или двумерных проекций). Компьютерная томография широко используется в медицине, применяется она и в научных исследованиях, в том числе и для исследования столь хрупких объектов, как атомные бозе-конденсаты (см. "Элементарные возбуждения бозе- конденсата и компьютерная томография"). Однако во всех этих случаях речь идет о более или менее протяженных объектах, а перед канадскими учеными стояла совсем другая задача.

Наивысшие занятые молекулярные орбитали ответственны за образование химических связей, и потому наблюдение их изменения в процессе образования и разрыва химических связей - это взгляд в самое сердце химии. Именно эти молекулярные орбитали, соответственно, являются наиболее интересным объектом исследований. Для реконструкции орбитали молекулы азота N2 канадские ученые использовали генерацию высоких гармоник (излучения с частотой, кратной частоте начального импульса) под действием интенсивного фемтосекундного лазерного импульса. Заметим, что в настоящее время этот метод используется для получения импульсов электромагнитного излучения предельно малой длительности - аттосекундных импульсов (см. об этом "Первые шаги аттофизики").

Для того, чтобы получить требуемый набор проекций, необходимо иметь возможность вращать молекулу. Поскольку же ученым необходимо работать не с отдельной молекулой азота (в таком случае они попросту не смогли бы зафиксировать никакого сигнала), а с макроскопическим числом молекул, необходимым предварительным этапом эксперимента являлась одинаковое выстраивание осей молекул. С этой целью на струю молекул азота диаметром около 1 мм воздействовали лазерным импульсом длительностью 60 фемтосекунд. Под воздействием этого "предварительного" лазерного импульса молекулы начинают вращаться, причем скорость вращения зависит от их первоначальной ориентации по отношению к оси поляризации лазерного излучения. В результате, в какой-то момент времени после прохождения "предварительного" лазерного импульса все молекулы оказываются ориентированы одинаковым образом.
Рис. 2. Зарегистрированные спектры излучения для различных ориентаций молекулы N2: по оси абсцисс - номер гармоники, по оси ординат - относительная интенсивность сигнала. Показан также спектр высоких гармоник атома аргона.

На ориентированные одинаковым образом молекулы действовал второй, более мощный фемтосекундный лазерный импульс (длина волны - 800 нм, длительность - 30 фс). Плотность мощности лазерного излучения (2 x 1014 Вт/см2) была достаточно большой, чтобы обеспечить туннельную ионизацию (за счет подавления кулоновского барьера электрическим полем лазерного импульса) высших занятых молекулярных орбиталей. В процессе туннельной ионизации часть электронной волновой функции оказывается высвобожденной: такой электронный волновой пакет начинает двигаться под действием меняющегося электрического поля лазерного импульса (рис. 1a). Поначалу волновой пакет удаляется от молекулы, а потом начинает возвращаться, налетая на молекулу. За время, пока электронный волновой пакет возвращается к своей молекуле, он растягивается в направлении, перпендикулярном направлению движения, примерно до 9 ангстрем (рис. 1b), что значительно превышает размер полекулы (~ 1 ангстрем). Возвращающийся волновой пакет можно рассматривать как набор плоских волн, который и производит "зондирование" соответствующим образом ориентированной молекулы.
Рис. 3. a - полученное с помощью компьютерной томографии изображение молекулярной орбитали 2p sg; b - рассчитанная из первых принципов структура этой же орбитали; c - форма волновой функции вдоль межъядерной оси (штрихи - реконструкция на основании экспериментальных данных, сплошная линия - расчеты из первых принципов).
Изображение
При столкновении возвращающегося волнового пакета с молекулой происходит перекрытие оставшейся части молекулярной орбитали и волнового пакета. В силу того, что оба происходят из единого источника, имеет место когерентное сложение двух волновых функций (именно данный факт позволяет "работать" с отдельной молекулярной орбиталью). Возникающее при этом ассиметричное распределение электронной плотности, меняющееся со временем (по мере движения возвращающегося волнового пакета), можно рассматривать как колеблющийся диполь, который излучает электромагнитные волны. Спектр генерируемого электромагнитное излучения определяется как формой молекулярной орбитали, так и ориентацией молекулы, и ограничивается сверху кинетической энергией налетающегося на молекулу волнового пакета.
Изображение

Зарегистрировав набор спектров ("проекций") для различной ориентации оси молекул по отношению к оси поляризации лазерного излучения (с шагом 5o), ученые смогли реконструкировать трехмерную структуру отдельной молекулярной орбитали - рис. 3.

По мнению исследователей, это только начало применения метода компьютерной томографии для получения трехмерных изображений волновых функций электронов в молекулах. Естественным развитием работы является наблюдение модификации молекулярных орбиталей в процессе химических реакций. Кроме того, подобная техника может быть использована не только для реконструкции высших занятых молекулярных орбиталей, но и реконструкции более глубоких орбиталей.

Е.Онищенко, Scientific.ru
С уважением, Морозов Валерий Борисович

homosapiens

Номер сообщения:#125   homosapiens »

А где же нобелевская премия по физике? :lol:

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#126   morozov »

lenta.ru
Изображение

Нобелевская премия присуждена за работу по квантовой физике
Во вторник, седьмого октября, в Стокгольме были объявлены лауреаты Нобелевской премии в номинации "физика". Она присуждена американцу японского происхождения Йоитиру Намбу (Yoichiro Nambu) за открытие спонтанного нарушения электрослабой симметрии и двум ученым из Японии Макото Кобаяси (Makoto Kobayashi) и Тосихидэ Маскава (Toshihide Maskawa) за объяснение причин этого явления. Об этом сообщается на официальном сайте премии.

Американец Йоитиру Намбу, получивший половину премии (около 500 тысяч евро), родился в 1921 году. В настоящее время Намбу работает в Институте Энрико Ферми в Чикаго. Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава получат по четверти премии (около 250 тысяч евро).

В 2007 году нобелевская премия по физике была вручена Альберу Феру (Albert Fert) и Петеру Грюнбергу (Peter Grunberg), которые в 1988 году независимо совершили открытие эффекта гигантского магнетосопротивления (giant magnetoresistance). Гигантское магнетосопротивление позволяет создавать структуры, в которых незначительное изменение магнитного поля приводит к значительному изменению электрического сопротивления. Технологии, использующие данный эффект используются при производстве современных жестких дисков.

Ссылки по теме
- Нобелевская премия по физике присуждена за нанотехнологию - Lenta.ru, 09.10.2007
http://lenta.ru/news/2007/10/09/nobelphys/
- Нобелевская премия по физике присуждена за абсолютно черное тело - Lenta.ru, 03.10.2006
http://lenta.ru/news/2006/10/03/nobel/
- Лауреатами Нобелевской премии по физике стали Рой Глаубер, Джон Холл и Теодор Хэнш - Lenta.ru, 04.10.2005
http://lenta.ru/news/2005/10/04/nobel/

Сайты по теме
- Официальный сайт нобелевской премии
http://nobelprize.org/
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#127   morozov »

Эффект Брауна-Твисса для атомов
1 октября 2005

Интерферометр Брауна-Твисса (интерферометр интенсивности) измеряет корреляцию интенсивности волн, регистрируемых пространственно-разнесенными детекторами. Интерферометры Брауна-Твисса с двумя телескопами обычно используются в астрономии для измерения диаметров звезд. В атомной оптике для исследования ультрахолодных газов подобный прибор впервые был применен в Токийском университете в 1996г. C.Westbrook и его коллеги из Франции и Португалии значительно усовершенствовали методику измерений, что позволило им регистрировать отдельные атомы, вылетающие из бозе-эйнштейновского конденсата, на масштабе времени в несколько наносекунд и расстояниях около 200мкм. Исследовались интерференционные свойства атомов гелия в магнитной ловушке, охлажденных испарительным методом до температуры около 0.5мкК. Вылет атомов из ловушки осуществлялся путем выключения магнитного поля. При температуре выше точки перехода в конденсат наблюдалась интерференционная картина. После охлаждения и образования бозе-эйнштейновского конденсата интерференция исчезала. Этот парадоксальный на первый взгляд эффект отсутствия интерференции от когерентного источника объясняется квантовой коррелированностью атомов в конденсате и принципом работы интерферометра интенсивности. В эксперименте исследована зависимость эффекта от размера облака газа и выявлена полная трехмерная картина корреляций. Источник: cond-mat/0508466
Молекулярный бозе-эйнштейновский конденсат
1 октября 2005

В последние годы были получены молекулярные бозе-эйнштейновские конденсаты, у которых слабая связь атомов в молекулах возникала вблизи резонанса Фешбаха. K.Winkler и его коллеги из Австрии методом фотоассоциации смогли получить молекулярный конденсат рубидия, молекулы которого находятся в основном энергетическом состоянии и сильно связаны. Основной трудностью метода фотоассоциации является процесс разрушения (диссоциации) молекул тем же излучением, которое вызывает их образование. Для решения этой проблемы применен подход, напоминающий известный в оптике метод индуцированной прозрачности. Под влиянием излучения сапфирового лазера происходило образование молекул конденсата в возбужденном квантовом состоянии, а с помощью диодного лазера другой частоты и меньшей мощности эти молекулы переводились в основное состояние, так что свет первого лазера уже не мог их разрушить. Таким путем удавалось создать примерно 100 молекул Rb2 в конденсате с полным числом 4x105 атомов Rb. Молекулы регистрировались по их спектру поглощения. При перестройке диапазона излучения диодного лазера наблюдался резонанс вблизи частоты, соответствующей переходу молекул из возбужденного состояния в основное. Источник: cond-mat/0505732

Наблюдение эффекта Казимира-Полдера
1 октября 2005

Эффект Казимира-Полдера соостоит в притяжении атома к плоской поверхности и, подобно обычному эффекту Казимира, он обусловлен изменением спектра нулевых квантовыми колебаний в вакууме. Эффект Казимира-Полдера наблюдался в ряде экспериментов с ультрахолодными газами. Однако из-за ограничений по чувствительности, измерения проводились лишь на очень малом расстоянии (порядка 0.1мкм) от поверхности, где были очень сильны также и Ван дер Ваальсовы силы. D.M Harber и его коллеги из Колорадского университета с помощью новой методики выполнили исследование эффекта Казимира-Полдера на расстояниях около 5мкм от поверхности диэлектрика. Исследовались механические колебания облачка бозе-эйнштейновского конденсата атомов 87Rb, расположенного вблизи плоских поверхностей сапфира или диоксида кремния, обработанных специальным способом. Хотя металлические поверхности более предпочтительны, их применение оказалось невозможным из-за поверхностных дефектов, создающих возмущающее электрическое поле. Путем изменения магнитного поля в ловушке можно регулировать положение облачка относительно поверхности, а дополнительным коротким импульсом вызывать колебания конденсата. Наличие градиента силы Казимира-Полдера приводит к сдвигу частоты колебаний. Измеренный сдвиг частоты зависит от расстояния до поверхности в хорошем согласии с теоретическими расчетами (M. Antezza, L. P. Pitaevskii, and S. Stringari, Phys. Rev. A70 053619 (2004)). Описываемый эксперимент одновременно накладывает ограничение на возможные модификации силы гравитационного притяжения Ньютона на малых расстояниях, например, в виде потенциала Юкавы. Хотя это ограничение несколько слабее ограничений, полученных в других экспериментах, оно является их независимым подтверждением. Источник: Phys. Rev. A72 033610 (2005)

Криволинейное движение солитона
1 октября 2005

Н.Н. Розанов, С.В. Федоров и А.Н. Шатсев (Исследовательский институт лазерной физики, Санкт-Петербург) путем численного компьютерного моделирования выявили возможность движения диссипативных солитонов по криволинейным траекториям. Условием такого движения является несимметричное распределение поля, образующего солитон, а также потоки энергии из солитона в среду и обратно. Исследовались системы нескольких вихревых солитонов, описываемых нелинейными уравнениями в форме Гинзбурга-Ландау. Подробно изучено поведение пары сильно связанных друг с другом солитонов, которые взаимодействовали с другими солитонами. Наряду с вращением, центр масс комплекса солитонов перемещался по криволинейной траектории. Экспериментальная реализация результатов численного моделирования может быть проведена с использованием излучения лазера в активной оптической среде. Источник: Phys. Rev. Lett. 95 053903 (2005)

Космический дейтерий
1 октября 2005

Группе исследователей из Массачусетского технологического института под руководством A.Rogers впервые удалось зарегистрировать радиоизлучение дейтерия в космическом пространстве. Наблюдение дейтерия затруднено ввиду его малого количества и близости спектральных линий дейтерия к линиям водорода. Регистрация дейтерия представляет большой интерес для теории первичного нуклеосинтеза во Вселенной, поскольку его количество является чувствительным индикатором физических процессов во время нуклеосинтеза. В частности, по количеству дейтерия можно рассчитать среднюю плотность барионного вещества и, тем самым, уточнить количество темной материи (скрытой массы). Дальнейшее накопление и обработка данных позволит лучше определить эти величины. Источник: http://web.mit.edu/newsoffice/2005/deuterium.html

Самый быстрый пульсар
1 октября 2005

С помощью радиотелескопа VLBA измерен параллакс и скорость углового перемещения пульсара B1508+55. По этим данным удалось модельно независимым способом вычислить расстояние пульсара от Земли - 2.4кпс и его собственную скорость - 1100км/с. Пульсар B1508+55, таким образом, является самым быстрым из известных пульсаров, в будущем он покинет Галактику. На частотах 1,4-1,7МГц выполнено восемь серий наблюдений с интервалами в три месяца. По замедлению периода пульсаций найден возраст пульсара - 2.34x106 лет. В настоящий момент пульсар находится на расстоянии около 2кпс от диска Галактики, но с учетом направления его движения сделан вывод, что он родился в диске вблизи ассоциации звезд типа OB, находящейся в созвездии Лебедя. Пока неизвестно, каким образом пульсар был ускорен до 1100км/с. Теоретически предложено несколько механизмов получения пульсарами больших скоростей, наиболее вероятным из них является несимметричный взрыв сверхновой. Но даже этот механизм нуждается в уточнении для объяснения скоростей >1000км/с. Источник: http://www.nrao.edu/pr/2005/fastpulsar/

Новости не опубликованные в журнале


Гамма-всплески от столкновений нейтронных звезд
6 октября 2005

Зарегистрировано рентгеновское и оптическое послесвечение от двух космических гамма-всплесков, находящихся в карликовой и эллиптической галактиках. Эти всплески относятся к классу коротких всплесков, их характеристики говорят о том, что они произошли в результате слияния пар нейтронных звезд в двойных системах. Напротив, считается, что длительные всплески генерируются "гиперновыми" - взрывами массивных звезд. Источник: physicsweb.org.

Новый тип сверхжидкости
6 октября 2005

В теоретических и численных расчетах на компьютере выявлена возможность нового типа металлической сверхжидкости. Согласно этим расчетам, в металлическом водороде при давлении в 4млн. атм., наряду с куперовскими парами электронов, должны возникать и пары протонов. По своим свойствам это состояние водорода должно радикально отличаться от других квантовых жидкостей. Источник: physicsweb.org.
Лазерный ускоритель
6 октября 2005

Tomas Plettner и его коллеги из Стэнфордского университета построили новый тип лазерного ускорителя электронов. Луч лазера и пучок электронов пересекаются в вакууме вблизи металлизированной поверхности, так что присутствует компонента электрического поля волны в направлении движения электронов, и возможен обмен энергией. Лазер создает градиент 40млн. вольт на метр. В будущем, предполагается достичь на подобных установках инергий в области ТэВ. Источник: physicsweb.org.

Космические лучи от оболочек сверхновых
6 октября 2005

Астрономы получили надежные доказательства того, ударные волны оболочек сверхновых действительно являются основным источником космических лучей, как и предсказывалось теоретически. Этот вывод сделан на основании наблюдейний рентгеновским телескопом Чандра структуры ударной волны сверхновой, взрыв которой наблюдался в 1572г. (сверхновая Тихо Браге). Источник: www.nasa.gov.

Органический тиристор
6 октября 2005

Исследователи из Японии сконструировали тиристор (электронный прибор, управляющий током в ключевом режиме) на основе органического кристалла. Органический тиристор может выполнять те же операции, что и обычный полупроводниковый, хотя принципы их работы абсолютно различны. Источник: physicsweb.org.

Гидрофобная вода
6 октября 2005

В лаборатории Pacific Northwest National Lab обнаружено, что тонкий слой воды на платиновой подложке препятствует образованию на ней новых слоев водяного льда. Источник: www.aip.org.

Бозе-эйнштейновский конденсат в твердом теле
6 октября 2005

Группой исследователей с участием российских ученых из Объединенного института ядерных исследований (Дубна) обнаружен новый тип бозе-эйнштейновского конденсата. Конденсат образуется в твердом теле (соединение цезия, меди и хлора) не из атомов, а из возбуждений - магнонов. Состояние в форме конденсата магнонов ранее предсказывалось теоретически. Источник: scitation.aip.org.

Самый далекий гамма-всплеск
8 октября 2005

Наблюдение оптического и рентгеновского послевсечения космического гамма-всплеска GRB 050904 показало, что он является самым далеким из известных всплесков. Его красное смещение z = 6.3, а полная энергия в случае ее изотроного излучения равна 3.4x1053эрг. Источник: arxiv.org.

Анизотропия плавления
8 октября 2005

Методом рентгеновской дифракции с фемтосекундным разрешением выполнено наблюдение плавления кристалла InSb, нагреваемого лазерным излучением. Выявлена анизотропия процесса плавления вдоль различных кристаллических плоскостей. Источник: scitation.aip.org.

Фокусировка волн в воде
8 октября 2005

Xinhua Hu and Che Ting Chan (Гонконгский университет) путем компьтерного моделирования показали, что периодическая решетка из цилиндров может осуществлять рефракцию волн (направлять их в определенном направлении) как на поверхности воды, так и на глубине, а также фокусировать волны. Источник: physicsweb.org.

Изучение биомолекул
8 октября 2005

A. Koenig и его коллеги из Франции разработали новую методику изучения механических свойств биомолекул. В основе методики - магнитное взаимодействие биомолекул с частицами парамагнитного вещества. Таким способом изучены молекулы ДНК. Источник: scitation.aip.org.
Поиск новой физики на Теватроне
8 октября 2005

Коллаборацией CDF на протон-антипротонном ускорителе Теватрон выполнен поиск аномального резонансного рождения пар тау-лептонов. Обнаружение такого процесса свидетельствовало бы о новой физики за пределами Стандартной модели. Превышения темпа рождения над статистическими погрешностями не найдено, что позволило получить ограничения на эффекты вне Стандартной модели. Источник: scitation.aip.org.

Нейтрино и космические лучи сверхвысоких энергий
8 октября 2005

D.Seckel и T.Stanev в своей теоретической работе показали, что ключом к загадке происхождения космических лучей сверхвысоких энергий могла бы стать регистрация нейтрино от их источников. Источник: scitation.aip.org.
Ограничение на безнейтринный двойной бета-распад
8 октября 2005

В эксперименте CUORICINO (лаборатория Гран Сассо, Италия) получено новое жесткое ограничение на возможный темп безнейтринного двойного бета-распада ядер 130Te. Полупериод такого распада (если он действительно имеет место) должен превышать 1.8x1024лет. Источник: scitation.aip.org.

Эффект Холла для фононов
22 октября 2005

Французские ученые G.Rikken, C.Strohm и P.Wyder впервые обнаружили аналог эффекта Холла для фононов. В сильное магнитное поле помещался образец вещества, в котором за счет разности температур на концах создавался поток тепла в перпендикулярном магнитному полю направлении. При этом в направлении, перпендикулярном двум предыдущим, возникала разность температур величиной примерно 1-3мК. Эффект связан с влиянием магнитного поля на рассеяние фононов. Источник: physicsweb.org.

Магнитный момент нейтрино
22 октября 2005

Группой исследователей из Калифорнийского технологического института модельно независимым способом получен теоретический верхний предел на величину магнитного момента нейтрино - менее 10-14 магнетонов Бора. Источник: scitation.aip.org.

Проверка теории относительности
22 октября 2005

S.Herrmann и его коллеги из Германии и США с помощью вращающегося оптического резонатора получили новое ограничение на возможную анизотропию скорости света. Это ограничение в 8 раз точнее полученных ранее. Источник: scitation.aip.org.

Звезды вблизи черной дыры
27 октября 2005

По ограничениям на поток рентгеновского излучения установлено, что массивные звезды в газовом диске вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Галактики образовались в самом диске, а не мигрировали в него из окружающего звездного скопления. Звезды образуются в диске несмотря на приливные гравитационные силы со стороны черной дыры. Вспышки подобных звезд в форме сверхновых в других галактиках могут объяснить наличие в их центрах тяжелых химических элементов. Источник: chandra.harvard.edu.

Упорядоченное допирование
27 октября 2005

Японские исследователи обнаружили, что упорядоченное (в форме решетки) допирование полупроводников атомами примесей может значительно улучшить характеристики электронных приборов по сравнению с хаотическим допированием. Источник: physicsweb.org.

Переключатель из нанотрубки
27 октября 2005

Исследователи из Великобритании и Кореи впервые сумели изготовить механический переключатель электрического тока из углеродной нанотрубки. Перемещение контакта происходит под действием электростатических сил. Источник: physicsweb.org.

Эффект Яна-Теллера в единичной молекуле
27 октября 2005

M. Crommie и его коллеги с помощью сканирующего туннельного микроскопа впервые обнаружили эффект Яна-Теллера в единичной молекуле фуллерена, допированной атомами калия, K3C60. Эффект проявляется в снятии вырождения энергетических уровней молекулы за счет ее реструктуризации. Источник: physicsweb.org.

Газопылевые диски вокруг коричневых карликов
27 октября 2005

D. Apai и его коллеги выполнили наблюдения спектров газопылевых дисков вокруг звезд - коричневых карликов в инфракрасном диапазоне. Оказалось, что условия в этих дисках пригодны для формирования планет. Источник: www.sciencemag.org.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#128   morozov »

сентябрь 2005 ? 9 "В МИРЕ НАУКИ"
Космология
НЕПОСТОЯННЫЕ ПОСТОЯННЫЕ
Джон Бэрроу, Джон Веб

Каким невообразимо странным был бы мир, если бы физические константы могли изменяться! Например, так называемая постоянная тонкой структуры примерно равна 1/137. Если бы она имела другую величину, то между веществом и энергией, возможно, не было бы никакого различия.

Есть вещи, которые никогда не меняются. Ученые называют их физическими константами, или мировыми постоянными. Считается, что скорость света c, гравитационная постоянная G, масса электрона me и некоторые другие величины всегда и везде остаются неизменными. Они образуют основу, на которой зиждутся физические теории, и определяют структуру Вселенной.
Изображение
Физики прилагают немало усилий, чтобы измерить мировые постоянные со все более высокой точностью, но никому еще не удалось хоть как-то объяснить, почему их значения именно таковы, каковы они есть. В системе СИ c = 299 792 458 м/с, G = 6,673 x 10-11 Нxм2/кг2, me = 9,10938188 10-31 кг - совершенно не связанные между собой величины, у которых есть лишь одно общее свойство: изменись они хоть немного, и существование сложных атомных структур, в том числе живых организмов, окажется под большим вопросом. Стремление обосновать значения констант стало одним из стимулов к разработке единой теории, полностью описывающей все существующие явления. С ее помощью ученые надеялись показать, что у каждой мировой постоянной может быть только одно возможное значение, обусловленное внутренними механизмами, которые определяют обманчивую произвольность природы.

Лучшим кандидатом на звание единой теории считается М-теория (вариант теории струн), которую можно считать состоятельной в том случае, если Вселенная имеет не четыре пространственно-временных измерения, а одиннадцать. Следовательно, наблюдаемые нами постоянные фактически могут и не быть действительно фундаментальными. Истинные константы существуют в полном многомерном пространстве, а мы видим лишь их трехмерные "силуэты".

Тем временем физики пришли к выводу, что величины многих постоянных могут быть результатом случайных событий и взаимодействий между элементарными частицами на ранних стадиях истории Вселенной. Теория струн допускает существование огромного количества (10500) миров с различными самосогласованными наборами законов и констант (см. "Пейзаж теории струн", "В мире науки", ?12, 2004 г.). Пока же ученые понятия не имеют, почему была отобрана наша комбинация. Возможно, в результате дальнейших исследований количество логически возможных миров снизится до одного, но не исключено, что наша Вселенная - это лишь небольшой участок мультивселенной, в которой реализованы различные решения уравнений единой теории, а мы наблюдаем просто один из вариантов законов природы (см. "Параллельные Вселенные", "В мире науки", ?8, 2003 г.).

В таком случае для многих мировых констант нет никакого объяснения, кроме того, что они составляют редкую комбинацию, допускающую развитие сознания. Возможно, наблюдаемая нами Вселенная стала одним из многих изолированных оазисов, окруженных бесконечностью безжизненного космического пространства - сюрреалистического места, где господствуют совершенно чуждые нам силы природы, а частицы типа электронов и структуры типа атомов углерода и молекул ДНК просто невозможны. Попытка попасть туда обернулась бы неминуемой гибелью.

Теория струн была разработана в том числе и для того, чтобы объяснить кажущуюся произвольность физических постоянных, поэтому в ее основных уравнениях содержится всего несколько произвольных параметров. Но пока она не объясняет наблюдаемые значения констант.

Надежная линейка

На самом деле употребление слова "постоянная" не совсем правомерно. Наши константы могли бы изменяться во времени и в пространстве. Если бы дополнительные пространственные измерения изменялись в размере, константы в нашем трехмерном мире менялись бы вместе с ними. И если бы мы заглянули достаточно далеко в пространство, то могли бы увидеть области, где константы приняли другие значения. Начиная с 1930-х гг. ученые размышляли о том, что константы могут и не быть постоянными. Теория струн придает этой идее теоретическое правдоподобие и делает тем более важным поиск непостоянства.

Первая проблема состоит в том, что сама лабораторная установка может быть чувствительна к изменениям констант. Размеры всех атомов могли бы возрасти, но если бы линейка, которую используют для измерений, тоже стала длиннее, ничего нельзя было бы сказать об изменении размеров атомов. Экспериментаторы обычно предполагают, что эталоны величин (линейки, гири, часы) неизменны, но этого невозможно достичь при проверке констант. Исследователи должны обратить внимание на безразмерные константы - просто числа, не зависящие от системы единиц измерения, например, отношение массы протона к массе электрона.

Особый интерес представляет величина = e2/2E0hc, объединяющая скорость света c, электрический заряд электрона e, постоянную Планка h и так называемую диэлектрическую постоянную вакуума 0. Ее называют постоянной тонкой структуры. Впервые она была введена в 1916 г. Арнольдом Зоммерфельдом, который одним из первых попытался применить квантовую механику к электромагнетизму: связывает релятивистскую (c) и квантовую (h) характеристики электромагнитных (e) взаимодействий, в которых участвуют заряженные частицы в пустом пространстве (E0). Измерения показали, что эта величина равна 1/137,03599976 (приблизительно 1/137).

Если бы имела другое значение, то изменился бы весь окружающий мир. Будь она меньше, плотность твердого вещества, состоящего из атомов, уменьшилась бы (пропорционально 3), молекулярные связи разрывались бы при более низких температурах (2), а число устойчивых элементов в таблице Менделеева могло бы возрасти (1/). Окажись слишком большой, малые атомные ядра не могли бы существовать, потому что связывающие их ядерные силы не смогли бы препятствовать взаимному отталкиванию протонов. При > 0,1 не мог бы существовать углерод.

Ядерные реакции в звездах особенно чувствительны к величине . Чтобы мог происходить ядерный синтез, тяготение звезды должно создавать достаточно высокую температуру, чтобы заставить ядра сближаться, несмотря на их тенденцию отталкиваться друг от друга. Если бы превышала 0,1, то синтез был бы невозможен (если, конечно, другие параметры, например, отношение масс электрона и протона, остались прежними). Изменение всего на 4% до такой степени повлияло бы на энергетические уровни в ядре углерода, что его возникновение в звездах просто прекратилось бы.

СВЕТ И ПОСТОЯННАЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ
Несколько физических констант, включая скорость света, можно объединить в постоянную тонкой структуры - число, которое показывает, насколько сильно электромагнитное взаимодействие элементарных частиц. Одно из таких взаимодействий - поглощение атомами фотонов определенной длины волны.
Изображение
Моделирование спектров показывает, как изменение влияет на поглощение света различными видами атомов в ближней ультрафиолетовой области. Вертикальные черные линии соответствуют длинам поглощаемых волн. Каждый вид атома или иона имеет уникальный набор линий. Изменение постоянной тонкой структуры влияет на спектры магния (Mg), кремния (Si) и алюминия (Al) меньше, чем на спектры железа (Fe), цинка (Zn), хрома (Cr) и никеля (Ni).
Изображение
Для описания процесса поглощения рассмотрим уровни энергии электронов в атоме. Энергия фотона передается электрону, который перескакивает по лестнице допустимых уровней. Каждый возможный скачок соответствует определенной длине волны. Расстояния между уровнями зависят от того, насколько сильно электрон притягивается атомным ядром, и, следовательно, от . В случае если бы была меньше, энергетические уровни ионов магния (Mg+) были бы ближе друг к другу, и фотонам требовалось бы меньше энергии (что означает большую длину волны), чтобы перебросить электроны на более высокий уровень.
Изображение
Внедрение ядерных методов

Вторая, более серьезная, экспериментальная проблема связана с тем, что для измерения изменений констант требуется высокоточное оборудование, которое должно быть чрезвычайно стабильным. Даже с помощью атомных часов дрейф постоянной тонкой структуры можно отслеживать на протяжении лишь нескольких лет. Если бы изменялась больше чем на 4x10-15 за три года, самые точные часы позволили бы это обнаружить. Однако ничего подобного пока зарегистрировано не было. Казалось бы, чем не подтверждение постоянства Но три года для космоса - мгновение. Медленные, но существенные изменения в течение истории Вселенной могут пройти незамеченными.

К счастью, физики нашли другие способы проверки. В 1970-х гг. ученые французской Комиссии по ядерной энергии заметили некоторые особенности в изотопном составе руды из урановой шахты в Окло в Габоне (Западная Африка): она напоминала отходы ядерного реактора. Видимо, приблизительно 2 млрд. лет назад в Окло образовался естественный ядерный реактор (см. "Божественный реактор", "В мире науки", ?1, 2004 г.).

В 1976 г. Александр Шляхтер (Alexander Shlyakhter) из Ленин?градского института ядерной физики заметил, что работоспособность естественных реакторов критически зависит от точной энергии определенного состояния ядра самария, которое обеспечивает захват нейтронов. А сама энергия сильно связана с величиной . Так, если бы постоянная тонкой структуры была немного другой, никакая цепная реакция, возможно, не произошла бы. Но она действительно происходила, а значит, за прошедшие 2 млрд. лет постоянная не изменилась больше, чем на 1x10-8. (Физики продолжают спорить о точных количественных результатах из-за неизбежной неуверенности в условиях в естественном реакторе.)

В 1962 г. Джеймс Пиблс (P. James E. Peebles) и Роберт Дик (Robert Dicke) из Принстонского университета первыми применили подобный анализ к древним метеоритам: относительная распространенность изотопов, являющаяся результатом их радиоактивного распада, зависит от . Самое чувствительное ограничение связано с бета-распадом при превращении рения в осмий. Согласно недавней работе Кейта Олива (Keith Olive) из Миннесотского университета и Максима Поспелова (Maxim Pospelov) из Университета Виктории в Британской Колумбии, в то время, когда формировались метеориты, отличалась от нынешнего значения на 2x10-6. Этот результат менее точен, чем данные, полученные в Окло, но он уходит дальше в глубь времен, к возникновению Солнечной системы 4,6 млрд. лет назад.

Чтобы исследовать возможные изменения на еще более длинных промежутках времени, исследователи должны обратить взор к небесам. Свет от отдаленных астрономических объектов идет к нашим телескопам миллиарды лет и несет отпечаток законов и мировых констант тех времен, когда он только начал свое путешествие и взаимодействие с веществом.

ПОИСК ИЗМЕНЕНИЙ В ИЗЛУЧЕНИИ КВАЗАРА
Удаленное газовое облако, подсвеченное квазаром, дает астрономам возможность исследовать процесс поглощения света и определить величину постоянной тонкой структуры на раннем этапе космической истории.
Изображение
1 Свет от квазара начал свое путешествие к Земле миллиарды лет назад, имея сплошной спектр.

2 Свет на своем пути проходит через одно или несколько газовых облаков. Газ поглощает определенные длины волн, создавая ряд черных линий в спектре. Для изучения постоянной тонкой структуры астрономы сосредоточиваются на линиях поглощения металлов.

3 Ко времени, когда свет приходит к Земле, длины волн меняются из-за космического расширения. По величине изменения можно определить расстояние до газового облака и, следовательно, его возраст.

4 Различие расстояний между спектральными линиями, полученными в ходе лабораторных экспериментов и в результате наблюдения астрономических объектов, показывает, что постоянная тонкой структуры изменилась.Изображение
На спектре квазара, полученном с помощью Большого телескопа Южной европейской обсерватории, видны линии поглощения, созданные облаками газа, находящимися между квазаром (стрелка справа) и Землей. Положение линий (стрелки в спектре справа) свидетельствует о том, что свет проходил через облака приблизительно 7,5 млрд. лет назад.

Спектральные линии

Астрономы ввязались в историю с константами вскоре после открытия квазаров в 1965 г., которые были только что обнаружены и идентифицированы как яркие источники света, расположенные на огромных расстояниях от Земли. Поскольку путь света от квазара до нас настолько велик, он неизбежно пересекает газообразные окрестности молодых галактик. Газ поглощает свет квазара на специфических частотах, отпечатывая штрих-код из узких линий на его спектре (см. врезку вверху).

Когда газ поглощает свет, электроны, содержащиеся в атомах, перескакивают с низких энергетических уровней на более высокие. Уровни энергии определяются тем, насколько сильно атомное ядро удерживает электроны, что зависит от силы электромагнитного взаимодействия между ними и, следовательно, от постоянной тонкой структуры. Если она была другой в тот момент времени, когда свет был поглощен, или в какой-то конкретной области Вселенной, где это происходило, то энергия, требуемая для перехода электрона на новый уровень, и длины волн переходов, наблюдаемых в спектрах, должны отличаться от наблюдаемых сегодня в лабораторных экспериментах. Характер изменения длин волн критически зависит от распределения электронов на атомных орбитах. При заданном изменении одни длины волн уменьшаются, другие - увеличиваются. Сложную картину эффектов трудно спутать с ошибками калибровки данных, что делает такой эксперимент чрезвычайно полезным.

Приступив к работе семь лет назад, мы столкнулись с двумя проблемами. Во-первых, длины волн многих спектральных линий не были измерены с достаточной точностью. Как ни странно, о спектрах квазаров, удаленных на миллиарды световых лет, ученые знали гораздо больше, чем о спектрах земных образцов. Нам нужны были лабораторные измерения высокой точности, чтобы сравнить с ними спектры квазара, и мы убедили экспериментаторов провести соответствующие измерения. Они были выполнены Энн Торн (Anne Thorne) и Джульет Пикеринг (Juliet Pickering) из Имперского колледжа в Лондоне, а затем группами во главе со Свенериком Иохансоном (Sveneric Johansson) из Лундской обсерватории в Швеции, а также Ульфом Грисманном (Ulf Griesmann) и Рэйнером Клингом (Rainer Kling) из Национального института стандартов и технологии в штате Мэриленд.

Вторая проблема состояла в том, что предыдущие наблюдатели использовали так называемые щелочные дублеты - пары линий поглощения, возникающие в атомарных газах углерода или кремния. Они сравнивали интервалы между этими линиями в спектрах квазара с лабораторными измерениями. Однако такой метод не позволял использовать одно специфическое явление: вариации вызывают не только изменение интервала между уровнями энергии атома относительно уровня с самой низкой энергией (основное состояние), но и изменение положения самого основного состояния. Фактически второй эффект даже более силен, чем первый. В результате точность наблюдений составила всего 1x10-4.

В 1999 г. один из авторов статьи (Веб) и Виктор Фламбаум (Victor V. Flambaum) из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии разработали методику, позволяющую принимать во внимание оба эффекта. В результате чувствительность удалось увеличить в 10 раз. Кроме того, появилась возможность сравнивать различные виды атомов (например, магний и же?лезо) и проводить дополнительные перекрестные проверки. Пришлось выполнить сложные расчеты, чтобы точно установить, как наблюдаемые длины волн меняются в атомах различных типов. Вооружившись современными телескопами и датчиками, мы решили проверить постоянство с беспрецедентной точностью по новому методу многих мультиплетов.
Изображение
Результаты измерений постоянной тонкой структуры не позволяют сделать окончательных выводов. Некоторые из них указывают, что когда-то она была меньше, чем сейчас, а некоторые - нет. Возможно, менялась в далеком прошлом, но теперь стала постоянной. (Прямоугольники изображают диапазон изменения данных.)

Пересмотр взглядов

Приступая к экспериментам, мы просто хотели с более высокой точностью установить, что величина постоянной тонкой структуры в древние времена была такой же, как сегодня. К нашему удивлению, результаты, полученные в 1999 г., показали небольшие, но статистически существенные различия, которые впоследствии подтвердились. Используя данные по 128 линиям поглощения квазара, мы зарегистрировали увеличение на 6x10-6 за прошедшие 6-12 млрд. лет.

Смелые утверждения требуют состоятельных доказательств, так что первым нашим шагом стал тщательный пересмотр методов сбора данных и их анализа. Ошибки измерения можно разделить на два типа: систематические и случайные. Со случайными неточностями все просто. В каждом отдельном измерении они принимают разные значения, которые при большом количестве измерений усредняются и стремятся к нулю. С систематическими ошибками, которые не усредняются, бороться труднее. В астрономии неопределенности такого рода встречаются на каждом шагу. В лабораторных экспериментах настройку приборов можно менять, чтобы минимизировать ошибки, но астрономы не могут "подстроить" Вселенную, и им приходится признавать, что все их методы сбора данных содержат неустранимые смещения. Например, наблюдаемое пространственное распределение галактик заметно смещено в сторону ярких галактик, потому что их легче наблюдать. Идентификация и нейтрализация таких смещений - постоянная задача для наблюдателей.

Сначала мы обратили внимание на возможное искажение масштаба длин волн, относительно которого измерялись спектральные линии квазара. Оно могло возникнуть, например, во время переработки "сырых" результатов наблюдения квазаров в калиброванный спектр. Хотя простое линейное растяжение или сжатие масштаба длины волны не могло точно имитировать изменение , даже приблизительного сходства было бы достаточно для объяснения полученных результатов. Постепенно мы исключили простые ошибки, связанные с искажениями, подставляя вместо результатов наблюдения квазара калибровочные данные.

Более двух лет мы разбирались с различными причинами смещения, чтобы убедиться, что их влияние пренебрежимо мало. Мы обнаружили только один потенциальный источник серьезных ошибок. Речь идет о линиях поглощения магния. Каждый из трех устойчивых его изотопов поглощает свет с разными длинами волн, которые очень близки друг к другу и в спектрах квазаров видны как одна линия. Исходя из лабораторных измерений относительной распространенности изотопов, исследователи судят о вкладе каждого из них. Их распределение в молодой Вселенной могло бы существенно отличаться от современного, если бы звезды, которые испускали магний, в среднем были более тяжелыми, чем их сегодняшние аналоги. Такие различия могли бы имитировать изменение .

Но результаты исследования, опубликованного в этом году, указывают, что наблюдаемые факты не так легко объяснить. Йеш Феннер (Yeshe Fenner) и Брэд Гибсон (Brad K. Gibson) из Технологического университета Суинберна в Австралии и Майкл Мэрфи (Michael T. Murphy) из Кембриджского университета пришли к выводу, что распространенность изотопов, необходимая для имитации изменения , приводила бы также к избыточному синтезу азота в ранней Вселенной, что совершенно не соответствует наблюдениям. Таким образом, мы должны смириться с вероятностью того, что действительно изменялась.

Научное сообщество сразу оценило значение полученных нами результатов. Исследователи спектров квазаров всего мира тут же занялись измерениями. В 2003 г. научно-исследовательские группы Сергея Левшакова (Sergei Levshakov) из Санкт-Петербургского физико-технического института им. Иоффе и Ральфа Кваста (Ralf Quast) из Гамбургского университета изучили три новые системы квазаров. В прошлом году Хам Чанд (Hum Chand) и Рагунатан Шринанд (Raghunathan Srianand) из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Индии, Патрик Птижан (Patrick Petitjean) из Института астрофизики и Бастьен Арасиль (Bastien Aracil) из LERMA в Париже проанализировали еще 23 случая. Ни одна из групп не обнаружила изменения . Чанд утверждает, что любое изменение за интервал от 6 до 10 млрд. лет назад должно быть меньше, чем одна миллионная.

Почему похожие методики, использованные для анализа различных исходных данных, привели к такому радикальному несоответствию? Ответ пока неизвестен. Результаты, полученные упомянутыми исследователями, имеют превосходное качество, но объем их выборок и возраст проанализированного излучения существенно меньше, чем у нас. К тому же Чанд использовал упрощенную версию многомультиплетного метода и не проводил полную оценку всех экспериментальных и систематических ошибок.

Известный астрофизик Джон Бэкол (John Bahcall) из Принстона подверг критике сам многомультиплетный метод, но проблемы, на которые он обращает внимание, относятся к категории случайных ошибок, которые сводятся к минимуму при использовании больших выборок. Бэкол, а также Джефри Ньюман (Jeffrey Newman) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли рассматривали линии испускания, а не поглощения. Их подход намного менее точен, хотя в будущем, возможно, окажется полезным.

ИНОГДА МЕНЯЕТСЯ, ИНОГДА - НЕТ
Изображение
Согласно гипотезе, выдвинутой авторами статьи, в одни периоды космической истории постоянная тонкой структуры оставалась неизменной, а в другие - возрастала. Экспериментальные данные (см. врезку на предыдущей странице) согласуются с этим предположением.

Законодательная реформа

Если наши результаты окажутся правильными, последствия будут огромны. До недавнего времени все попытки оценить, что произошло бы с Вселенной, если бы постоянная тонкой структуры изменилась, были неудовлетворительными. Они не шли дальше рассмотрения как переменной в тех же формулах, которые были получены в предположении, что она постоянна. Согласитесь, весьма сомнительный подход. Если изменяется, то энергия и импульс в связанных с ней эффектах должны сохраняться, что должно влиять на гравитационное поле во Вселенной. В 1982 г. Якоб Бекенштейн (Jacob D. Bekenstein) из Еврейского университета в Иерусалиме впервые обобщил законы электромагнетизма для случая непостоянных констант. В его теории рассматривается как динамическая компонента природы, т.е. как скалярное поле. Четыре года назад один из нас (Бэрроу) вместе с Хеуордом Сэндвиком (Havard Sandvik) и Хояо Магуэйхо (Joao Magueijo) из Имперского колледжа в Лондоне расширили теорию Бекенштейна, включив в нее учет сил тяготения.

Предсказания обобщенной теории заманчиво просты. Поскольку электромагнетизм в космических масштабах намного слабее гравитации, изменения на несколько миллионных не оказывают на расширение Вселенной заметного влияния. А вот расширение существенно влияет на за счет несоответствия между энергиями электрического и магнитного полей. В течение первых десятков тысяч лет космической истории излучение доминировало над заряженными частицами и поддерживало баланс между электрическим и магнитным полями. По мере расширения Вселенной излучение разреживалось, и доминирующим элементом космоса стало вещество. Электрические и магнитные энергии оказались неравными, и начала возрастать пропорционально логарифму времени. Приблизительно 6 млрд. лет назад начала преобладать темная энергия, ускорившая расширение, которое затрудняет распространение всех физических взаимодействий в свободном пространстве. В результате снова стала почти постоянной.

Описанная картина согласуется с нашими наблюдениями. Спектральные линии квазара характеризуют тот период космической истории, когда доминировала материя и возрастала. Результаты лабораторных измерений и исследований в Окло соответствуют периоду, когда доминирует темная энергия и постоянна. Особенно интересно дальнейшее изучение влияния изменения на радиоактивные элементы в метеоритах, потому что оно позволяет исследовать переход между двумя названными периодами.
Изображение

В великой схеме объектов бытия наблюдаемая Вселенная, как полагают, является лишь малой частью мультивселенной. В различных ее областях постоянная тонкой структуры может быть разной. Если бы человек попытался проникнуть в них, но столкнулся бы с ирреальной действительностью, недопускающей само его существование.

Альфа - это только начало

Если постоянная тонкой структуры изменяется, то материальные объек?ты должны падать по-разному. В свое время Галилей сформулировал слабый принцип эквивалентности, согласно которому тела в вакууме падают с одинаковой скоростью независимо от того, из чего они состоят. Но изменения должны порождать силу, действующую на все заряженные частицы. Чем больше протонов содержит атом в своем ядре, тем сильнее он будет чувствовать ее. Если выводы, сделанные при анализе результатов наблюдения квазаров, верны, то ускорение свободного падения тел из различных материалов должно отличаться примерно на 1x10-14. Это в 100 раз меньше, чем можно измерить в лаборатории, но достаточно много, чтобы обнаружить различия в таких экспериментах, как STEP (проверка принципа эквивалентности в космосе).

В предыдущих исследованиях ученые пренебрегали неоднородностью Вселенной. Подобно всем галактикам, наш Млечный путь приблизительно в миллион раз более плотен, чем космическое пространство в среднем, так что он не расширяется вместе со Вселенной. В 2003 г. Бэрроу и Дэвид Мота (David F. Mota) из Кембриджа вычислили, что может вести себя по-разному в пределах галактики и в более пустых областях пространства. Как только молодая галактика уплотняется и, релаксируя, приходит в гравитационное равновесие, становится постоянной внутри галактики, но продолжает меняться снаружи. Таким образом, эксперименты на Земле, в которых проверяется постоянство , страдают от предвзятого выбора условий. Нам еще предстоит разобраться, как это сказывается на проверке слабого принципа эквивалентности. Никакие пространственные вариации пока еще не были замечены. Полагаясь на однородность реликтового излучения, Бэрроу недавно показал, что не изменяется больше чем на 1x10-8 между областями небесной сферы, отстоящими на 10о.

Нам остается ждать появления новых данных и проведения новых исследований, которые окончательно подтвердят или опровергнут гипотезу об изменении . Исследователи сосредоточились именно на этой константе просто потому, что эффекты, обусловленные ее вариациями, легче заметить. Но если действительно непостоянна, то другие константы тоже должны изменяться. В таком случае нам придется признать, что внутренние механизмы природы гораздо сложнее, чем мы предполагали.
# ОБЗОР: МИРОВЫЕ КОНСТАНТЫ Во многих физических уравнениях встречаются величины, которые считаются неизменными всюду - в пространстве и времени.
# В последнее время ученые сомневаются в постоянстве мировых констант. Сравнивая результаты наблюдений квазаров и лабораторных измерений, они приходят к выводу, что химические элементы в далеком прошлом поглощали свет не так, как сегодня. Различие можно объяснить изменением на несколько миллионных долей постоянной тонкой структуры.
# Подтверждение даже столь малого изменения станет настоящим переворотом в науке. Наблюдаемые константы могут оказаться лишь "силуэтами" истинных постоянных, существующих в многомерном пространстве-времени.

ОБ АВТОРАХ:
Джон Бэрроу (John D. Barrow) , Джон Веб (John K. Webb) занялись исследованием физических постоянных в 1996 г. во время совместного творческого отпуска в Сассекском университете в Англии. Тогда Бэрроу исследовал новые теоретические возможности изменения констант, а Веб занимался наблюдениями квазаров. Оба автора пишут научно-популярные книги и часто выступают в телевизионных программах.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#129   morozov »

октябрь 2005 ? 10 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика
ЗАГАДKИ МАССЫ
Гордон Кейн

Физики продолжают охоту за бозоном Хиггса, который поможет убедиться в существовании одноименного поля, наделяющего массой каждую частичку Вселенной.

Изображение
Масса африканского слона (6 т) в 600 млрд. раз больше массы самого маленького муравья (0,01 мг). Примерно во столько же раз верхний кварк тяжелее нейтрино. До сих пор не понятно, почему массы элементарных частиц так сильно различаются.

Многие люди знают, что такое масса. Всем ясно, что слон больше и тяжелее муравья. Даже в отсутствие гравитации гигантский обладатель хобота имеет большую массу: его тяжелее сдвинуть с места и разогнать. Очевидно, слон более массивен, потому что состоит из значительно большего числа атомов, чем муравей. Но чем же определяются массы отдельных атомов? Что можно сказать о массе элементарных частиц, из которых они состоят? Откуда она берется?

У проблемы массы есть два независимых аспекта. Прежде всего хотелось бы понять, как вообще появляется масса. Оказывается, в ее возникновении участвуют по крайней мере три различных механизма, которые будут описаны ниже. Главную роль в физических теориях массы играет так называемое поле Хиггса, якобы пронизывающее весь реальный мир. Считается, что элементарные частицы обретают массу в результате взаимодействия с этим полем. Если оно есть на самом деле, то согласно теории должна существовать связанная с ним частица - бозон Хиггса, за которым ученые охотятся с помощью ускорителей частиц.

Кроме того, ученые хотят знать, почему различным видам элементарных частиц соответствуют строго определенные значения массы, причем самая тяжелая частица на 11 порядков массивнее самой легкой. Во столько же раз слон тяжелее самого маленького муравья.

Изображение

Массы частиц Стандартной модели отличаются на 11 порядков и возникают благодаря взаимодействию с полем Хиггса. По-видимому, существуют по крайней мере пять видов бозонов Хиггса. Поскольку их массы не известны, на иллюстрации указаны возможные значения.

Что же такое масса?

В 1687 г. Исаак Ньютон писал в своих знаменитых "Началах": "масса есть мера вещества, устанавливаемая пропорционально плотности и объему его". Такое базовое определение вполне устраивало ученых в течение двух веков. Они понимали, что наука сначала должна описать, как действуют законы природы, а уж потом разбираться, почему все происходит именно так, а не иначе. В последние годы актуальным для физиков стал вопрос "почему существует масса?". Понимание значения и происхождения массы дополнит и расширит Стандартную модель физики элементарных частиц, которая описывает их взаимодействия. Это также поможет разрешить загадку темного вещества, которое составляет около 25% Вселенной.

Современные представления о массе гораздо сложнее, чем определение Ньютона, и базируются на Стандартной модели. В ее основе лежит математическая функция, которая называется лагранжианом и показывает, как взаимодействуют различные частицы. Следуя правилам релятивистской квантовой теории, с помощью лагранжиана физики могут рассчитать поведение элементарных частиц и, в частности, описать, как они образуют протоны и нейтроны. И к элементарным, и к составным частицам применимо уравнение F=ma, связывающее силу, массу и приобретаемое ею ускорение. Функция Лагранжа помогает нам вычислить значение, которое следует использовать в качестве m, т.е. массу частицы. Но она входит не только во Второй закон Ньютона. Например, согласно частной теории относительности, не имеющие массы частицы в вакууме движутся со скоростью света, а частицы с массой движутся медленнее, причем, зная массу, можно рассчитать их скорость. Более того, гравитация действует на массу абсолютно так же, как на эквивалентную ей энергию. Величина m, рассчитанная с помощью лагранжиана, идеально подходит на роль массы во всех без исключения физических уравнениях.

Фундаментальные частицы имеют строго определенную массу покоя (частицы с нулевой массой покоя называются безмассовыми). Полная масса сложной частицы состоит из суммы масс покоя составляющих ее частиц, а также их кинетической энергии движения и потенциальной энергии взаимодействия. Связь энергии и массы описывается известным уравнением Эйнштейна: E=mc2, где с - скорость света.

Примером энергии, дающей вклад в массу, может быть хорошо знакомый нам вид вещества - протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. Эти частицы составляют 4-5% массы и энергии Вселенной (см. врезку ниже). Согласно Стандартной модели, протоны и нейтроны образованы кварками, которые связаны между собой безмассовыми глюонами. Хотя элементы каждого протона кружат в непрерывном вальсе, мы видим его как единый объект со свойственной ему массой, которая равна сумме масс и энергий составляющих его элементарных частиц.

Из уравнений Стандартной модели следует, что почти вся масса протонов и нейтронов обусловлена кинетической энергией кварков и глюонов (остальное - массы покоя кварков). Таким образом, 4-5% всей Вселенной или почти все знакомое нам вещество состоит из энергии движения кварков и глюонов в протонах и нейтронах.

СВОЙСТВА НЕУЛОВИМОЙ ЧАСТИЦЫ ХИГГСА
КАК ПОЛЕ ХИГГСА СОЗДАЕТ МАССУ
Изображение
"Пустое" пространство, заполненное полем Хиггса, похоже на пляж, полный детей. Частица, пересекающая область пространства, похожа на продавца мороженого. Дети окружают тележку с мороженым и замедляют ее движение. В результате она приобретает "массу".

ПРОНИЗЫВАЯ РЕАЛЬНОСТЬ
Энергия обычных полей (например электромагнитное) минимальна при нулевой напряженности поля (слева). Вселенная напоминает шар, который скатывается и останавливается на дне впадины, где напряженность равна нулю. Энергия поля Хиггса минимальна при напряженности поля, отличной от нуля (справа). Таким образом, в состоянии с наименьшей энергией Вселенная пронизана полем Хиггса.
Изображение
ПОРОЖДЕНИЕ ДВУХ ЯВЛЕНИЙ
Два различных явления - приобретение массы частицей (сверху) и возникновение бозона Хиггса (снизу) - вызваны одним и тем же взаимодействием. Этот факт будет использован при экспериментальной проверке механизма Хиггса.
Изображение
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ДРУГИМИ ЧАСТИЦАМИ
Диаграммы Фейнмана изображают взаимодействие бозона Хиггса с другими частицами. Диаграмма a представляет испускание или поглощение бозона Хиггса частицей типа кварка или электрона. На диаграмме b показан соответствующий процесс для W- или Z-бозона.
Изображение
W- и Z-бозоны также могут одновременно взаимодействовать с двумя бозонами Хиггса, как показано на диаграмме c, которая изображает также W- или Z-рассеяние бозона Хиггса (грубо говоря, столкновение с ним). Взаимодействия, представленные диаграммами a, b и c, отвечают за возникновение масс частиц. Кроме того, бозоны Хиггса взаимодействует сами с собой (см. d и e). Можно изобразить и более сложные процессы, соединяя вместе копии элементарных диаграмм. Взаимодействия, изображенные на диаграммах d и e, отвечают за форму графа энергии (см. сверху слева).

Механизм Хиггса

В отличие от протонов и нейтронов такие элементарные частицы, как кварки и электроны, неделимы. Откуда у них берутся массы покоя - главная загадка происхождения массы. Согласно современной физической теории, массы фундаментальных частиц являются результатом их взаимодействия с полем Хиггса. Но почему это поле присутствует всюду во Вселенной? Почему в космических масштабах его напряженность не равна нулю, как у электромагнитного поля? Что такое поле Хиггса?

Поле Хиггса - это квантовое поле. Здесь нет ничего удивительного: все элементарные частицы представляют собой кванты соответствующих квантовых полей. Электромагнитное поле тоже является квантовым, а соответствующая ему элементарная частица - фотон. Так что поле Хиггса в какой-то мере не более загадочно, чем электроны и свет. И все же есть у него три особенности.

Первая из них чисто "техническая". Все поля характеризуются так называемым спином, т.е. определенной величиной углового момента соответствующих частиц. Например, у электронов он составляет 1/2, а у большинства частиц, связанных со взаимодействиями (скажем, у фотонов), равен 1. Спин бозона Хиггса равен нулю, поэтому одноименное поле может входить в лагранжиан необычными способами, что, в свою очередь, обусловливает остальные его особенности.

Второе уникальное свойство поля Хиггса позволяет объяснить, почему его напряженность всюду отлична от нуля. Любая система, включая Вселенную в целом, стремится к состоянию с самой низкой энергией, словно шар, скатывающийся на дно впадины. Для обычных полей наподобие электромагнитного самое низкое энергетическое состояние соответствует нулевой напряженности поля, т.е. его отсутствию. Если же поле отлично от нуля, то содержащаяся в нем энергия увеличивает общую энергию системы. Однако в случае поля Хиггса энергия Вселенной минимальна, когда его напряженность не равна нулю. Таким образом, для обычных полей дно впадины соответствует нулевой напряженности; для поля Хиггса в центре впадины (при нулевой напряженности) имеется пригорок, а самые низкие точки образуют ров (см. выше). Подобно шару, Вселенная "скатывается" в круговое углубление, которое соответствует ненулевому полю. Поэтому в естественном состоянии с самой низкой энергией Вселенная повсюду пронизана полем Хиггса.

Последняя отличительная черта поля Хиггса связана с особенностями его взаимодействия с другими частицами. Они ведут себя так, будто имеют массу, пропорциональную напряженности поля, умноженной на силу взаимодействия. Массы связаны с теми членами лагранжиана, которые относятся к частицам, взаимодействующим с полем Хиггса.

Однако пока мы не можем точно сказать, сколько существует видов полей Хиггса. Хотя Стандартная модель требует, чтобы все массы элементарных частиц были обусловлены одним полем Хиггса, настало время заменить ее более полной теорией. Главные претенденты на роль последней - расширения Стандартной модели, известные как Суперсимметричные стандартные модели (ССМ). В них каждая частица Стандартной модели имеет так называемого суперпартнера (пока еще не обнаруженного) с тесно связанными свойствами (см. "Заря новой эры", "В мире науки", ?9, 2003 г.). В ССМ необходимы по крайней мере два различных вида полей Хиггса, взаимодействие с которыми наделяет каждую частицу Стандартной модели массой. Эти поля также придают часть массы (но не всю) суперпартнерам. Два поля Хиггса приводят к пяти разновидностям бозонов Хиггса: три из них электрически нейтральны и два заряжены. Массы нейтрино очень малы по сравнению с массами других частиц и могут возникать из этих взаимодействий косвенно или быть связанными с еще одним, третьим видом поля Хиггса.

У теоретиков есть несколько причин считать, что ССМ-картина взаимодействий Хиггса окажется правильной. Во-первых, без механизма Хиггса W- и Z-бозоны, которые являются посредниками в слабых взаимодействиях, были бы безмассовыми, как фотон (с которым они связаны), и слабое взаимодействие было бы таким же сильным, как электромагнитное. Согласно теории, механизм Хиггса придает массу W- и Z-бозонам весьма специфическим образом. Предсказания, основанные на этом положении (например, отношения масс W- и Z-бозонов) были подтверждены экспериментально.

Во-вторых, все другие аспекты Стандартной модели были хорошо проверены, а в столь подробной, взаимосвязанной теории трудно изменить одну часть (например, поле Хиггса), не затрагивая остальное. Например, результат измерений свойств W- и Z-бозонов привел к точному предсказанию массы верхнего кварка задолго до того, как он был получен экспериментально. Если бы механизм Хиггса был другим, это и другие предсказания оказались бы неверными.

В-третьих, механизм Хиггса идеально подходит для объяснения происхождения масс всех частиц Стандартной модели, W- и Z-бозонов, а также кварков и лептонов. Альтернативным теориям это, как правило, не удается. Кроме того, ССМ предлагает структуру, позволяющую выработать единое понимание всех сил природы. Наконец, ССМ помогает объяснить, почему энергетическая впадина для Вселенной имеет форму, необходимую для механизма Хиггса. В базовой Стандартной модели форму впадины необходимо ввести как постулат, тогда как в ССМ она выводится математически.
КОСМИЧЕСКАЯ ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ
Теория поля Хиггса объясняет, как элементарные частицы, наименьшие "кирпичики" Вселенной, приобретают массу. Но механизм Хиггса - не единственный источник массы-энергии во Вселенной (понятие "масса-энергия" объединяет массу и энергию, которые связаны формулой Эйнштейна E = mc2).
Изображение
Приблизительно 70% массы-энергии Вселенной сосредоточено в так называемой темной энергии, которая непосредственно не связана с частицами. Главный признак существования темной энергии - ускорение расширения Вселенной. Природа темной энергии - один из самых сложных вопросов современной физики (см. "Космическая загадка", "В мире науки", ?12, 2004 г.).

Остальные 30% массы-энергии Вселенной существуют в виде вещества, частиц с массой. Самый знакомый вид вещества - протоны, нейтроны и электроны. Из них состоит примерно одна шестая всего вещества, т.е. 4-5% всей Вселенной. Бо'льшая часть этой массы обусловлена энергией движения кварков и глюонов, кружащихся внутри протонов и нейтронов.

Меньший вклад в вещество Вселенной вносят нейтрино, которые образуют три группы и имеют чрезвычайно маленькую массу. Абсолютные массы нейтрино еще не измерены, но, по имеющимся данным, их верхний предел не превышает 0,5% массы Вселенной.

Оставшиеся 25% массы-энергии Вселенной составляет невидимое нам темное вещество (темная материя), о существовании которого свидетельствует его гравитационное влияния на наблюдаемые нами объекты. Пока неизвестно, что представляет собой темное вещество, но уже есть хорошие кандидаты на его роль, а эксперименты по проверке различных теорий идут полным ходом (см. "Поиски темного вещества", "В мире науки", ?7, 2003 г.). Темное вещество должно быть построено из массивных частиц, потому что под действием сил тяготения оно образует сгустки размером с галактику. Разнообразие доводов позволяет нам заключить, что темное вещество не может состоять из обычных частиц Стандартной модели.
Изображение
Главный претендент на звание частицы темного вещества - самый легкий суперпартнер (ЛСП). Он появляется в расширениях Стандартной модели, называемых Суперсимметричными Стандартными моделями (ССМ). Судя по всему, масса ЛСП приблизительно равна 100 массам протона.

Проверка теории

Естественно, физики хотят убедиться, что масса является результатом взаимодействия с различными полями Хиггса. Можно проверить три ключевые особенности. Во-первых, следует поискать бозоны Хиггса: если их не существует, то объяснение нельзя считать правильным. Сейчас физики ищут бозоны Хиггса на Теватрон-коллайдере в Национальной лаборатории Ферми.

Во-вторых, как только бозоны Хиггса будут обнаружены, мы сможем наблюдать, как они взаимодействуют с другими частицами. Свойства таких взаимодействий задаются членами лагранжиана, определяющими массы частиц. Поэтому их наличие можно проверить экспериментально, т.к. силы взаимодействия и массы частиц однозначно связаны.

В-третьих, различным наборам полей Хиггса, появляющимся в Стандартной модели и ССМ, должны соответствовать разные наборы бозонов с уникальными свойствами. Ученым требуются коллайдеры, обеспечивающие достаточную энергию столкновений, чтобы получить различные бозоны Хиггса, и достаточную интенсивность, чтобы создавать их в больших количествах. Кроме того, они должны быть оснащены очень хорошими детекторами для анализа получающихся в результате частиц.

Поиск осложняется тем, что приходится исследовать широкий диапазон масс, поскольку мы пока не можем точно сказать, какие массы должны быть у бозонов Хиггса. Теоретические рассуждения и анализ экспериментальных данных позволяют лишь грубо оценить, какой массы следует ожидать.

Ученые могли обнаружить бозоны Хиггса, которые должны быть как минимум в 120 раз тяжелее протона, на Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP) в CERN. Однако их так и не удалось зарегистрировать. Перед закрытием LEP в 2000 г. на пределе энергии и интенсивности было получено косвенное подтверждение существования бозона Хиггса: исследователи провели множество точных измерений, результаты которых дополнили сведения, собранные на Теватроне и на коллайдере в Стэнфордском центре линейных ускорителей. Весь набор данных хорошо согласуется с теорией только в том случае, если учитываются некоторые взаимодействия частиц с самым легким бозоном Хиггса, и если он не тяжелее 200 масс протона. Таким образом, мы получаем верхний предел массы бозона, что помогает сократить диапазон поисков.

В ближайшие несколько лет единственным коллайдером, который мог бы дать прямое подтверждение существования бозонов Хиггса, будет Теватрон. Энергии столкновений в нем будет достаточно, чтобы обнаружить бозон Хиггса, если удастся достигнуть требуемой интенсивности луча. На 2007 г. запланирован сбор данных на Большом адронном коллайдере (LHC) в CERN, энергия которого в семь раз выше и который рассчитан на гораздо большую интенсивность, чем Теватрон. Ожидается, что он станет фабрикой бозонов Хиггса и будет производить множество частиц в день. Если LHC будет работать как запланировано, то сбор нужных данных и их интерпретация займут пару лет. Для проведения экспериментов, которые позволят окончательно убедиться в том, что масса обусловлена взаимодействием с полями Хиггса, потребуется новый электронно-позитронный коллайдер в дополнение к LHC (в котором сталкиваются протоны) и Теватрону (в котором сталкиваются протоны с антипротонами).

Темное вещество

Наблюдения за бозонами Хиггса не только позволят разобраться в происхождении массы, но и помогут разгадать загадку темной материи. Ключевой частицей ССМ-теорий, связанной с темной материей, является легчайший суперпартнер (ЛСП). Большинство суперпартнеров быстро распадается на суперпартнеры с меньшей массой, причем цепь распадов заканчивается ЛСП, который устойчив, т.к. не существует более легких частиц, на которые он мог бы распасться. (Суперпартнер не может распасться только на частицы Стандартной модели; по крайней мере один из продуктов распада должен быть суперпартнером.) Частицы-суперпартнеры должны были возникнуть на раннем этапе Большого взрыва, но затем быстро распасться до ЛСП, претендующего на звание основы темной материи.

Бозоны Хиггса также могут непосредственно влиять на количество темной материи во Вселенной. Мы знаем, что количество ЛСП сегодня должно быть меньше, чем сразу после Большого Взрыва, потому что некоторые из них могли столкнуться и аннигилировать в кварки, лептоны и фотоны, а скорость аннигиляции могла быть больше для ЛСП, взаимодействующих с бозонами Хиггса.

Как было упомянуто выше, два основных ССМ-поля Хиггса дают массу частицам Стандартной модели и часть массы таким суперпартнерам, как ЛСП. Остальную массу они приобретают через дополнительные взаимодействия с другими полями Хиггса или их аналогами. В общих чертах теоретические модели этих процессов уже разработаны, но подробности мы не узнаем, пока не соберем информацию о самих суперпартнерах. Ожидается, что такие данные будут получены на LHC или даже на Теватроне.

Массы нейтрино также могут быть результатом взаимодействий с дополнительными полями Хиггса. Раньше считалось, что нейтрино не имеют массы, но в 1979 г. теоретики предсказали, что они все-таки обладают чрезвычайно малой массой, а за прошлое десятилетие несколько серьезных экспериментов подтвердили эти предсказания (см. "Разгадка тайны солнечных нейтрино", "В мире науки", ?9, 2003 г.). Нейтрино в миллион раз легче электрона, занимающего второе место среди самых легких частиц. Поскольку они электрически нейтральны, теоретически описать возникновение их масс сложнее, чем в случае заряженных частиц. В массу каждого вида нейтрино вносят вклад несколько процессов, и по техническим причинам фактическое ее значение получается из решения уравнения, а не просто путем сложения членов.

Таким образом, мы разобрали три пути появления массы: основной, хорошо знакомый нам вид массы (масса протонов, нейтронов, а значит, и атомов) обусловлен движением кварков, составляющих протоны и нейтроны. Масса протона была бы примерно такой же даже без поля Хиггса. Однако массы кварков и электронов полностью обусловлены полем Хиггса: без него они были бы раны нулю. И, наконец, бо'льшая часть массы суперпартнеров, а значит, и масса частиц темной материи, если она действительно состоит из легчайших суперпартнеров, обусловлена дополнительными взаимодействиями.

В заключение рассмотрим проблему семейств частиц. За последние полвека физики показали, что мир, который мы видим, построен всего из шести частиц: три частицы вещества (верхние кварки, нижние кварки и электроны), два кванта, создающих силы взаимодействий (фотоны и глюоны), и бозоны Хиггса - замечательное и удивительно простое описание. Однако известны еще четыре кварка, две частицы, подобные электрону, и три вида нейтрино. Все они очень короткоживущие или слабо взаимодействующие с другими шестью частицами. Итак, различают три семейства: 1) верхний (u) и нижний (d) кварки, электронное нейтрино, электрон; 2) очарованный (c) и странный (s) кварки, мюонное нейтрино, мюон; 3) истинный (t) и красивый (b) кварки, тау-нейтрино, тау-лептон. Взаимодействия частиц каждого из семейств идентичны и отличаются только тем, что во втором семействе они сильнее, чем в первом, а в третьем - сильнее, чем во втором. Поскольку массы частиц обусловлены полем Хиггса, частицы должны взаимодействовать с ним по-разному.

Следовательно, проблема семейств связана с двумя вопросами. Зачем существуют три семейства, если кажется, что одного вполне хватает для описания видимого нами мира? Почему частицы разных семейств отличаются по массе и имеют именно те массы, которые у них есть? Нет ничего удивительного в том, что физики пытаются понять, почему в природе имеются три почти идентичных семейства частиц. Они хотят до конца разобраться в законах природы, основных ее частицах и силах. Нам нужна теория, в которой все частицы и отношения их масс появляются без каких-либо предварительных предположений о величине масс и без подгонки параметров. Если наличие трех семейств существенно, то это - ключ, значение которого пока не осознано.

Изображение

Возможно, что при столкновении позитрона высокой энергии и электрона в детекторе L3 Большого Электрон-Позитронного Коллайдера (LEP) в CERN возник бозон Хиггса. Линии представляют следы частиц. Зеленые и фиолетовые капли и золотые гистограммы изображают количества энергии, поглощенной в слоях детектора от улетающих из реакции частиц. Только объединяя множество таких событий, физики могут заключить, присутствовали ли бозоны Хиггса в некоторых из реакций или все события были произведены другими реакциями, которые лишь имитировали сигналы от бозонов Хиггса.

Резюме

Стандартная модель и ССМ могут принять наблюдаемую структуру семейств, но не могут объяснить ее. Утверждается не то, что ССМ еще не объяснила структуру семейства, а то, что она вообще не может этого сделать. Ценность теории струн не в том, что она может предложить квантовую теорию всех сил, а в том, что она может объяснить, что такое элементарные частицы, почему существуют три семейства и почему разные семейства по-разному взаимодействуют с полем Хиггса. Она допускает возникновение повторяющихся семейств, которые не будут идентичны. Их различия описываются свойствами, не затрагивающими сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные силы, но влияющими на взаимодействие с полями Хиггса и соответствующими трем семействам с различными массами. Теория струн допускает много различных структур семейств, и пока никто не знает, почему природа выбрала наблюдаемую нами, а не какую-нибудь другую (см. "Ландшафт теории струн", "В мире науки", ?12, 2004 г.). Данные о массах кварка, лептона и их суперпартнеров помогут нам глубже проработать теорию струн.

Прошло немало времени, прежде чем ученые начали разбираться в природе массы. Без Стандартной модели физики элементарных частиц и развития квантовой теории поля для описания частиц и их взаимодействий физики не могли даже правильно сформулировать вопросы. И хотя происхождение и величины масс пока остаются загадкой, структура, необходимая для их понимания, похоже, уже найдена. Феномен массы невозможно было осмыслить до появления Стандартной модели, ССМ и теории струн. Пока не ясно, дадут ли они исчерпывающие ответы. Так или иначе, масса стала обычной темой исследований в физике частиц.

ОБЗОР: ФИЗИКА ПОЛЕЙ ХИГГСА
# Масса - привычное свойство вещества, но для ученых она во многих отношениях остается загадкой. Прежде всего - как элементарные частицы приобретают массу и почему ее значение у каждой из них строго определено?
# Ответы на эти вопросы помогут теоретикам завершить и расширить Стандартную модель физики элементарных частиц, которая описывает фундаментальные законы природы. Расширенная Стандартная модель поможет разгадать загадку темного вещества, которое составляет приблизительно 25% Вселенной.
# Согласно теории, элементарные частицы приобретают массу, взаимодействуя с квантовым полем Хиггса, пронизывающим всю Вселенную. Эксперименты на ускорителях частиц помогут ученым убедиться в существовании этого поля.

ОБ АВТОРЕ:
Гордон Кейн (Gordon Kane) - специалист по теории элементарных частиц, лауреат премии Вайскопфа, профессор физики Мичиганского университета. Он изучает способы проверки и расширения Стандартной модели физики частиц. Кейн занимается физикой полей Хиггса и суперсимметричным расширением Стандартной модели, а также сопоставлением теоретических и экспериментальных космологических данных.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#130   morozov »

ноябрь 2006 ? 11 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика
В ПОИСКАХ СУПЕРЛИНЗЫ
Джон Пэндри и Дэвид Смит

Сконструированная из метаматериала с удивительными оптическими свойствами, суперлинза дает изображения с деталями меньше длины волны используемого света

Почти 40 лет назад советский ученый Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления (УФН, 1967, т. 92, с. 517). Световые волны в них должны двигаться против направления луча и вообще вести себя удивительным образом, а линзы из этих материалов ? обладать волшебными свойствами и характеристиками. Однако у всех известных веществ показатель преломления положителен: за несколько лет интенсивных поисков Веселаго не нашел ни одного материала с подходящими электромагнитными свойствами, и его гипотеза была забыта. О ней вспомнили лишь в начале XXI в. (см.: Теория и практика Виктора Веселаго // ВМН, ? 12
Изображение
Куб метаматериала представляет собой трехмерную матрицу, образованную медными проводниками и кольцами с разрезом. Микроволны с частотами около 10 ГГц ведут себя в таком кубе необычно, потому что для них он имеет отрицательный показатель преломления. Шаг решетки ? 2,68 мм или около 0,1 дюйма

Электромагнитные свойства веществ определяются особенностями образующих их атомов и молекул, обладающих довольно узким диапазоном характеристик. Поэтому свойства миллионов известных нам материалов не так уж разнообразны. Однако в середине 1990-х гг. ученые из Центра технологии материалов им. Маркони в Англии занялись созданием метаматериалов, состоящих из макроскопических элементов и рассеивающих электромагнитные волны совсем не так, как любые известные вещества.

В 2000 г. Дэвид Смит вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) изготовил метаматериал с отрицательным показателем преломления. Поведение света в нем оказалось настолько странным, что теоретикам пришлось переписать книги по электромагнитным свойствам веществ. Экспериментаторы уже занимаются разработкой технологий, в которых используются удивительные свойства метаматериалов, и создают суперлинзы, позволяющие получать изображения с деталями меньше длины волны используемого света. С их помощью можно было бы делать микросхемы с наноскопическими элементами и записывать на оптические диски огромные объемы информации..
Изображение
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#131   morozov »

декабрь 2006 ? 9 "В МИРЕ НАУКИ"
Астрофизика
КАК ВЗОРВАТЬ ЗВЕЗДУ
Эвальд Мюллер, Вольфганг Хилльбранд и Ханс-Томас Янка

Моделирование ситуации рождения сверхновой ? нелегкое дело. По крайней мере, до недавнего времени все эксперименты терпели крах. Но астрофизикам все-таки удалось взорвать звезду

11ноября 1572 г. астроном Тихо Браге (Tycho Brahe) заметил в созвездии Кассиопеи новую звезду, сияющую так же ярко, как Юпитер. Пожалуй, именно тогда рухнула уверенность в том, что небеса вечны и неизменны, и родилась современная астрономия. Спустя четыре века астрономы поняли, что некоторые звезды, вдруг становясь в миллиарды раз ярче обычных, взрываются. В 1934 г. Фриц Цвики (Fritz Zwicky) из Калифорнийского технологического института назвал их ?сверхновыми?. Они снабжают космическое пространство тяжелыми элементами, управляющими формированием и эволюцией галактик, и помогают изучать расширение пространства.
Изображение
Через десять секунд после вспышки термоядерное пламя почти полностью сжигает белый карлик. Стремительно распространяясь из глубины наружу, цепная ядерная реакция превращает углерод и кислород (сиреневый и красный) в кремний (оранжевый) и железо (желтый). На основе более ранних компьютерных моделей было невозможно проследить турбулентные движения и объяснить, почему звезды взрываются

Цвики и его коллега Вальтер Бааде (Walter Baade) предположили, что энергию для взрыва дает звезде гравитация. По их мнению, звезда сжимается, пока ее центральная часть не достигнет плотности атомного ядра. Коллапсирующее вещество может выделить гравитационную потенциальную энергию, достаточную чтобы выбросить наружу остатки звездного вещества. В 1960 г. Фрэд Хойл (Fred Hoyle) из Кембриджского университета и Вилли Фаулер (Willy Fowler) из Калтеха считали, что сверхновые похожи на гигантскую ядерную бомбу. Когда звезда типа Солнца сжигает свое водородное, а затем и гелиевое топливо, наступает очередь кислорода и углерода. В ходе синтеза этих элементов не только выбрасывается гигантская энергия, но и рождается радиоактивный никель-56, распадом которого объясняется послесвечение взрыва, длящееся несколько месяцев.

Обе идеи оказались правильными. В спектрах некоторых сверхновых нет следов водорода (тип I); по-видимому, в большинстве из них произошел термоядерный взрыв (тип Iа), а у остальных (типы Ib и Ic) ? коллапс звезды, сбросившей свой внешний водородный слой. Сверхновые, в спектрах которых обнаружен водород (тип II), также возникают в результате коллапса. Первые два явления превращают звезду в разлетающееся газовое облако, а гравитационный коллапс приводит к образованию сверхплотной нейтронной звезды или даже черной дыры. Наблюдения сверхновой 1987А (тип II) подтверждают предложенную теорию.

Однако до сих пор взрыв сверхновой остается одной из главных проблем астрофизики. Компьютерные модели воспроизводят его с трудом. Очень сложно заставить звезду взорваться (что само по себе приятно). Звезды ? саморегулирующиеся объекты, которые остаются стабильными в течение миллионов и миллиардов лет. Даже умирающие светила имеют механизмы затухания, но не взрыва. Чтобы воспроизвести последний, потребовались многомерные модели, расчет которых компьютерам был не по зубам.

# ОБЗОР: СВЕРХНОВЫЕ По всем правилам, звезды должны быть спокойными и умирать тихо. Но почему некоторые из них в конце жизни взрываются как сверхновые? Это одно из сложнейших явлений в астрофизике.
# Теоретики постепенно улучшали свои модели и недавно смогли объяснить два основных типа сверхновых. Задача состояла в том, чтобы учесть все три пространственных измерения для воспроизведения динамики турбулентных потоков.
# Оказалось, что взрыв может быть очень несимметричным, разбрасывающим в разные стороны остатки звезды (включая и вновь синтезированные химические элементы). Если в результате образуется нейтронная звезда, то она может получить ускорение и стремительно понесется по галактике.

Взрыв ? дело нелегкое

Белые карлики ? это неактивные остатки звезд, похожих на Солнце, которые постепенно остывают и затухают. Они могут взрываться как сверхновые типа Ia. Однако, по мнению Хойла и Фаулера, если белый карлик вращается вокруг другой звезды на близкой орбите, он может аккретировать (отсасывать) вещество со своего компаньона, увеличивая тем самым свою массу, центральную плотность и температуру до такой степени, что возможен взрывной синтез из углерода и кислорода.

Термоядерные реакции должны вести себя как обычный огонь. Фронт горения может распространяться через звезду, оставляя за собой ?ядерный пепел? (в основном никель). В каждый момент времени реакции синтеза должны идти в небольшом объеме, в основном, в тонком слое на поверхности пузырей, заполненных ?пеплом? и плавающих в глубине белого карлика. Из-за своей низкой плотности пузыри могут всплывать к поверхности звезды.

Но термоядерное пламя будет гаснуть, поскольку выделение энергии приводит к расширению и охлаждению звезды. В отличие от бомбы, у звезды нет оболочки, ограничивающей ее объем.

В лаборатории невозможно воссоздать взрыв сверхновой, его можно наблюдать только в космосе. Наша группа провела тщательное моделирование, используя суперкомпьютер IBM p690. Численная модель звезды была представлена трехмерной расчетной сеткой, имевшей 1024 элемента по каждой из сторон, что позволило учесть детали размером в несколько километров. Каждый вычислительный сет требовал более 1020 арифметических операций. Даже суперкомпьютеру, проделывающему более 1011 операций в секунду, на это потребовалось почти 60 процессоро-лет. Различные вычислительные ухищрения, упрощающие модель и используемые в других областях науки, неприменимы к сверхновым с их асимметричными течениями, экстремальными условиями и гигантским пространственным и температурным диапазоном. Кроме того, в моделях сверхновых должны учитываться физика частиц, ядерная физика, гидродинамика и теория относительности.
Изображение
Сверхновая Тихо: термоядерный взрыв, наблюдавшийся знаменитым датским астрономом Тихо Браге в 1572 г., оставил после себя облака кремния, железа и других тяжелых элементов, светящихся в рентгеновском диапазоне (зеленый, красный). Ударная волна (тонкая голубая оболочка) расширяется со скоростью 7500 км/с
ТЕРМОЯДЕРНАЯ СВЕРХНОВАЯ

Один из видов сверхновых типа Ia ? результат внезапной ядерной детонации звезды

1 Более массивная из двух звезд солнечного типа, исчерпав свое топливо, превращается в белый карлик

2 Белый карлик захватывает газ, теряемый соседкой, и приближается к критической массе

3 ?Пламя? неуправляемых ядерных реакций возгорается в турбулентном ядре карлика

4 Пламя устремляется наружу, превращая углерод и кислород в никель

5 За несколько секунд карлик полностью разрушается. Затем еще несколько недель радиоактивный никель распадается, вызывая свечение остатков звезды

Прорыв в моделировании сверхновых позволил исследовать турбулентность. Здесь показано, что произойдет через 0,6 с после воспламенения. Фронт ядерного горения имеет турбулентную, пузырчатую структуру (голубой). Турбулентность служит причиной быстрого продвижения фронта и подавления стабилизирующих механизмов
Изображение
Под капотом

Найти решение помог анализ работы автомобильного двигателя. Перемешивание бензина с кислородом и их воспламенение создают турбулентность, которая, в свою очередь, увеличивает поверхность горения, интенсивно деформируя ее. При этом скорость сжигания топлива, пропорциональная площади горения, возрастает. Но и звезда тоже турбулентна. Потоки газа проходят в ней огромные расстояния с большой скоростью, поэтому малейшие возмущения быстро превращают спокойное течение в турбулентный поток. В сверхновой всплывающие горячие пузыри должны перемешивать вещество, заставляя ядерное горение распространяться так быстро, что звезда не успевает перестроиться и ?затушить? пламя.

В исправно работающем двигателе внутреннего сгорания пламя распространяется с дозвуковой скоростью, ограниченной скоростью диффузии тепла сквозь вещество ? такой процесс называют дефлаграцией, или быстрым горением. В ?стреляющем? двигателе пламя распространяется со сверхзвуковой скоростью в виде ударной волны, проносящейся по кислородно-топливной смеси и сжимающей ее (детонация). Термоядерное пламя может распространяться тоже двумя путями. Детонация способна полностью сжечь звезду, оставив только самые ?негорючие? элементы, такие как никель и железо. Однако в продуктах этих взрывов астрономы обнаруживают большое разнообразие элементов, включая кремний, серу и кальций. Следовательно, ядерное горение распространяется, по крайней мере в начале, как дефлаграция.

В последние годы были созданы надежные модели термоядерной дефлаграции. Исследователи из Калифорнийского (г. Санта-Круз) и Чикагского университетов и наша группа опирались при этом на программы, созданные для исследования химического горения и даже для прогноза погоды. В турбулентном каскаде исходный поток дробится на все более и более мелкие части, поэтому моделирование непременно должно быть трехмерным.

Модель сверхновой имеет грибообразный вид: горячие пузыри поднимаются в слоеной среде, сморщиваясь и растягиваясь турбулентностью. Усиленное ею ускорение скорости ядерных реакций за несколько секунд приводит к разрушению белого карлика, остатки которого разлетаются со скоростью около 10 тыс. км/с, что соответствует наблюдаемой картине.

Но до сих пор не ясно, отчего воспламеняется белый карлик. Кроме того, дефлаграция должна выбрасывать большую часть вещества карлика неизмененной, а наблюдения показывают, что лишь малая часть звезды не изменяется. Вероятно, взрыв обусловлен не только быстрым горением, но и детонацией, а причина взрыва сверхновых типа Ia кроется не только в аккреции вещества, но и в слиянии двух белых карликов.
Изображение
Крабовидная туманность ? газовый остаток сверхновой с коллапсом ядра, взрыв которой наблюдался в 1054 г. В центре ? нейтронная звезда (указана стрелкой), выбрасывающая частицы, заставляющие газ светиться (голубой). Внешние волокна в основном состоят из водорода и гелия разрушенной массивной звезды

Гравитационная могила

Возникновение сверхновых в результате коллапса звездного ядра объяснить труднее. С наблюдательной точки зрения эти сверхновые более разнообразны, чем термоядерные: одни из них имеют водород, другие нет; одни взрываются в плотной межзвездной среде, другие ? в почти пустом пространстве; одни выбрасывают огромное количество радиоактивного никеля, другие нет. Энергия выброса и скорость расширения также различаются. Самые мощные из них производят не только классический взрыв сверхновой, но и продолжительный гамма-всплеск (см.: Герелс Н., Леонард П. и Пиро Л. Ярчайшие взрывы во Вселенной // ВМН, ? 4, 2003). Эта неоднородность свойств ? одна из многих загадок. Сверхновые с коллапсом ядра ? основные кандидаты для формирования самых тяжелых элементов, таких как золото, свинец, торий и уран, которые могут образоваться только в особых условиях. Но никто не знает, действительно ли такие предпосылки возникают в звезде, когда ее ядро взрывается.

Несмотря на то, что идея коллапса кажется простой (при сжатии ядра выделяется энергия гравитационной связи, за счет которой выбрасываются внешние слои вещества), трудно понять процесс в деталях. В конце жизни у звезды с массой более 10 масс Солнца образуется слоеная структура: на глубине появляются слои все более тяжелых элементов. Ядро состоит в основном из железа, а равновесие звезды поддерживается квантовым отталкиванием электронов. Но в конце концов масса звезды подавляет электроны, которые вжимаются в атомные ядра, где начинают реагировать с протонами и образовывать нейтроны и электронные нейтрино. В свою очередь, нейтроны и оставшиеся протоны прижимаются друг к другу все сильнее, пока их собственная сила отталкивания не остановит коллапс.

В этот момент сжатие останавливается и сменяется расширением. Вещество, втянутое вглубь гравитацией, начинает частично вытекать наружу. В классической теории данная задача решается с помощью ударной волны, которая возникает, когда внешние слои звезды со сверхзвуковой скоростью налетают на ядро, внезапно замедлившее свое сжатие. Ударная волна движется наружу, сжимая и нагревая вещество, с которым она сталкивается, и в то же время теряет свою энергию, в конце концов затухая. Моделирование показывает, что энергия сжатия быстро рассеивается. Как же в таком случае звезда взрывает себя?

Первой попыткой решить задачу стала работа Стирлинга Колгейта (Stirling Colgate) и Ричарда Уайта (Richard White), опубликованная в 1966 г., а позже ? компьютерные модели Джима Вильсона (Jim Wilson), созданные им в начале 1980 х гг., когда все трое работали в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. Они предположили, что ударная волна ? не единственный переносчик энергии от ядра к внешним слоям звезды. Возможно, вспомогательную роль играют нейтрино, рожденные во время коллапса. На первый взгляд, идея выглядит странной: как известно, нейтрино чрезвычайно неактивны и так слабо взаимодействуют с другими частицами, что их даже трудно зарегистрировать. Но в сжимающейся звезде они обладают более чем достаточной энергией, чтобы вызвать взрыв, а в условиях предельно высокой плотности неплохо взаимодействуют с веществом. Нейтрино нагревают слой вокруг коллапсирующего ядра сверхновой, поддерживая давление в тормозящейся ударной волне.

СВЕРХНОВАЯ С КОЛЛАПСОМ ЯДРА

Сверхновые другого рода образуются при сжатии звезд с массами более 8 масс Солнца. Они относятся к типам Ib, Ic или II, в зависимости от наблюдаемых особенностей

1 Массивная звезда в конце жизни имеет слоистую структуру

2 Железо не участвует в ядерном синтезе, поэтому в ядре не выделяется тепло. Газовое давление падает, и лежащее выше вещество устремляется вниз

3 За секунду ядро сжимается и превращается в нейтронную звезду. Падающее вещество отскакивает от нейтронной звезды и создает ударную волну

4 Нейтрино вырывается из новорожденной нейтронной звезды, неравномерно подталкивая наружу ударную волну

5 Ударная волна проносится по звезде, разрывая ее на части
Современные модели способны детально проследить хаотические движения в процессе взрыва. Здесь показана внутренность звезды через 5,5 ч после начала взрыва. Движущиеся вверх крупные пузыри поддерживают ударную волну до расстояния 300 млн. км. Нейтрино, вообще-то очень слабо взаимодействующие частицы, устремляются наружу в таком количестве и с такой энергией, что начинают играть главную роль. Турбулентность перемешивает углерод, кислород, кремний и железо из глубоких слоев (голубой, бирюзовый) с лежащими выше гелием (зеленый) и водородом (красный)
Изображение
Как ракета

Но достаточно ли такого дополнительного толчка для поддержания волны и завершения взрыва? Компьютерное моделирование показало, что недостаточно. Несмотря на то, что газ и поглощает и излучает нейтрино, потери доминируют, и поэтому взрыва не получается. Но в изучаемых моделях было одно упрощение: звезда в них считалась сферически симметричной. Поэтому игнорировались многомерные явления, такие как конвекция и вращение, которые очень важны, поскольку наблюдаемые сверхновые порождают весьма несферичный, ?лохматый? остаток.
Изображение
Туманность гитара ? это ударная волна, расходящаяся за нейтронной звездой (у стрелки), которая несется сквозь газ со скоростью 1600 км/с. Чтобы сообщить звезде такую скорость, взрыв должен быть несимметричным

Многомерное моделирование показывает, что вокруг ядра сверхновой нейтрино нагревают плазму и создают в ней всплывающие пузыри и грибообразные потоки. Конвекция переносит энергию к ударным волнам, толкая их вверх и вызывая взрыв.

Когда взрывная волна немного замедляется, пузыри горячей расширяющейся плазмы, разделенные текущим вниз холодным веществом, сливаются. Постепенно образуется один или несколько пузырей в окружении нисходящих потоков. В результате взрыв становится асимметричным. Кроме того, заторможенная ударная волна может деформироваться, и тогда коллапс принимает форму песочных часов. Дополнительная неустойчивость возникает, когда ударная волна вырывается наружу и проходит через неоднородные слои предка сверхновой. При этом химические элементы, синтезированные на протяжении жизни звезды и во время взрыва, перемешиваются.

Поскольку остатки звезды в основном вылетают в одну сторону, находящаяся в центре нейтронная звезда отскакивает в другую, как скейтборд, откатывающийся назад, когда вы спрыгиваете с него. Наша компьютерная модель показывает скорость отскока более 1000 км/с, что соответствует наблюдаемому движению многих нейтронных звезд. Но некоторые из них движутся медленнее, вероятно, потому, что пузыри во время образовавшего их взрыва не успели слиться. Возникает единая картина, в которой различные варианты становятся результатом одного основного эффекта.

Несмотря на значительные достижения последних лет, ни одна из существующих моделей не воспроизводит весь комплекс явлений, связанных со взрывом сверхновой, и содержит упрощения. Полная версия должна использовать семь измерений: пространство (три координаты), время, энергию нейтрино и скорость нейтрино, описанную двумя угловыми координатами. Более того, это нужно сделать для всех трех типов, или ароматов нейтрино.

Но может ли взрыв быть спровоцирован различными механизмами? Ведь магнитное поле может перехватить вращательную энергию только что сформировавшейся нейтронной звезды и дать новый толчок ударной волне. Кроме того, оно будет выдавливать вещество наружу вдоль оси вращения в виде двух полярных джетов. Эти эффекты позволят объяснить наиболее мощные взрывы. В частности, гамма-всплески могут быть связаны с джетами, движущимися с околосветовой скоростью. Возможно, ядра таких сверхновых коллапсируют не в нейтронную звезду, а в черную дыру.

Пока теоретики улучшают свои модели, наблюдатели пытаются использовать не только электромагнитное излучение, но также нейтрино и гравитационные волны. Коллапс ядра звезды, его бурление в начале взрыва и его возможное превращение в черную дыру приводят не только к интенсивному выбросу нейтрино, но и сотрясают структуру пространства-времени. В отличие от света, который не может пробиться сквозь вышележащие слои, эти сигналы исходят прямо из бурлящего ада в центре взрыва. Созданные недавно детекторы нейтрино и гравитационных волн могут приоткрыть завесу над тайной смерти звезд.

РЕАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ СВЕРХНОВОЙ
Наблюдатели гадали, почему нейтронные звезды несутся по Галактике с огромной скоростью. Новые модели сверхновой с коллапсом ядра предлагают объяснение, основанное на внутренней асимметрии этих взрывов
Изображение
Новорожденная нейтронная звезда в центре зарождающегося взрыва почти спокойна Гравитация несимметричного выброса тянет нейтронную звезду в определенном направлении, а падающее на звезду вещество дает ей дополнительный толчок Эти силы выбрасывают нейтронную звезду. (По закону сохранения импульса нейтронная звезда улетает в ту сторону, откуда на нее падает вещество.)
Моделирование показывает, что асимметрия развивается уже в начале взрыва. Малые различия в начале коллапса звезды приводят к большим различиям в степени асимметрии
Изображение
Эти различия, в свою очередь, проявляются в разных скоростях нейтронных звезд. Сравнивая предсказанные скорости с наблюдаемыми, можно проверять модели
Изображение
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
# Бисноватый-Коган Г.С. Физические вопросы теории звездной эволюции. М.: Наука, 1989.
# Гоффмейстер К., Рихтер Г., Венцель В. Переменные звезды. М.: Наука, 1990.
# Де Ягер К. Звезды наибольшей светимости. М.: Мир, 1984.
# Каплан С.А. Физика звезд. М.: Наука, 1977.
# Псковский Ю.П. Новые и сверхновые звезды. М.: Наука, 1985.
# Шкловский И.С. Сверхновые звезды и связанные с ними проблемы. М.: Наука, 1976.
# Supernova Explosions in the Universe. A. Burrows in Nature, Vol. 403, pages 727?733; February 17, 2000.
# Full-Star Type Ia Supernova Explosion Models. F.K. Rpke and W. Hillebrandt in Astronomy and Astrophysics, Vol. 431, No. 2, pages 635?645; February 2005. Preprint available at arxiv.org/abs/astroph/0409286
# The Physics of Core-Collapse Supernovae. S. Woosley and H.Th. Janka in Nature Physics, Vol. 1, No. 3, pages 147?154; December 2005. Preprint available at arxiv.org/abs/astroph/0601261
# Multidimensional Supernova Simulations with Approximative Neutrino Transport. L. Scheck, K. Kifonidis, H.Th. Janka and E. Mller in Astronomy and Astrophysics (in press). Preprint available at arxiv.org/abs/astroph/0601302

ОБ АВТОРАХ

Эвальд Мюллер (Ewald Mller), Вольфганг Хилльбранд (Wolfgang Hillebrandt) и Ханс-Томас Янка (Hans-Thomas Janka) работают в Институте астрофизики им. Макса Планка (Гарчинг, Германия) и преподают в Мюнхенском техническом университете. Мюллер руководит группой численной и релятивистской астрофизики. В 1993 г. вместе с Янка он получил премию Хейнца Биллинга за использование компьютеров в науке. Хиллебрант ? один из директоров Института астрофизики, занимается ядерной астрофизикой, эволюцией звезд и взрывами сверхновых. В 1982 г. он получил премию Германского физического общества за работы по нуклеосинтезу путем быстрого захвата нейтронов. Янка интересуется нейтрино в астрономии, эволюцией нейтронных звезд, вспышками сверхновых и гамма-всплесками. Через месяц после того, как он начал работать над диссертацией, была открыта сверхновая 1987А, изменившая его судьбу (а также всю Вселенную).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#132   morozov »

Двухпетлевые поправки в квантовой электродинамике
1 января 2006

В Ливерморской национальной лаборатории впервые измерены двухпетлевые поправки к величине лэмбовского сдвига энергетических уровней электронов в атомах. Лэмбовский сдвиг обусловлен взаимодействием электронов с виртуальными электрон-позитронными парами и фотонами, рождающимися из вакуума. Точный подход требует учета взаимодействия виртуальных частиц с другими виртуальными частицами. На диаграммах Фейнмана эти процессы изображаются в виде дополнительные петель, дающих вклад в вероятность процессов. В атоме водорода вклад двухпетлевых поправок в лэмбовский сдвиг составляет малую величину 10-6, пока недоступную измерениям. Поправки существенно больше в высокоионизированных атомах тяжелых элементов благодаря сильному электрическому полю их ядер. В Ливерморской лаборатории исследован лэмбовский сдвиг в ионах урана, в которых вокруг ядра оставались лишь три электрона. В этих ионах соответствующие поправки равны уже, примерно, одной трети процента от общего эффекта. Ионы накапливались в ловушках, и регистрировались фотоны, излучаемые при электронных переходах. Точность измерений двухпетлевых поправок, выполненных в Ливерморской лаборатории, составляет около 10%. Источник: Physics News Update, Number 756

Емкость джозефсоновского контакта
1 января 2006

Две независимые группы исследователей впервые измерили электрическую емкость джозефсоновских контактов. Контакт Джозефсона представляет собой пару сверхпроводников, разделенных тонким слоем изолятора. Куперовские пары могут туннелировать через изолятор без потери своих квантовых свойств. Теоретически предсказывалось, что в электрических цепях джозефсоновские контакты, наряду с обычной геометрической емкостью, обладают также квантовой емкостью. В обоих экспериментах для измерения квантовой емкости применялась сходная методика исследований, основанная на регистрации сдвига фазы радиочастотного сигнала в резонансном контуре с джозефсоновскими контактами, охлажденными до температур порядка нескольких мК. P.Hakoneb и его коллеги из Хельсинского университета и Института теоретической физики им.Л.Д.Ландау (Ю.Г.Махлин) исследовали единичный контакт, а группой шведских исследователей из Технологического университета Chalmers под руководством P.Delsing применялся транзистор, состоящих из двух контактов. Результаты измерений хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Джозефсоновские контакты перспективны с точки зрения хранения квантовых единиц информации - кубитов. Поскольку в описанных выше экспериментах измерения выполнялись без разрушения квантового состояния контактов, то методика измерения квантовой емкости может найти применение в будущих квантовых компьютерах. Источники: Phys. Rev. Lett. 95 206806 (2005); Phys. Rev. Lett. 95 206807 (2005)

Псевдощель в ферромагнетике
1 января 2006

Согласно теории Бардина-Купера-Шриффера, энергетическая щель в сверхпроводящих веществах обусловлена энергией связи куперовских пар электронов. Однако похожая особенность, называемая псевдощелью, наблюдается в спектре высокотемпературных сверхпроводников и при температурах выше температуры сверхпроводящего перехода. N.Mannella и его коллеги впервые обнаружили псевдощель в энергетическом спектре манганита La1.2Sr1.8Mn2O7, не относящегося к высокотемпературным сверхпроводникам. Соединение La1.2Sr1.8Mn2O7 интересно тем, что вблизи температуры Кюри оно испытывает резкий переход из ферромагнитного металлического в парамагнитное непроводящее состояние. Спектр La1.2Sr1.8Mn2O7 в фазе ферромагнетика был исследован в Берклиевской национальной лаборатории методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Наряду с псевдощелью обнаружена анизотропия спектра в импульсном пространстве, что также характерно для высокотемпературных сверхпроводников. Результаты измерений свидетельствуют о том, что псевдощель присуща не только высокотемпературных сверхпроводникам, а является более общим феноменом, требующим теоретического объяснения. Источник: Nature 438 474 (2005)

Молекулы позитрония
1 января 2006

Позитроний представляет собой систему электрона и позитрона, подобную атому водорода. A.Mills и его коллеги из Калифорнийского университета, возможно, обнаружили связанные молекулярные состояния атомов позитрония. Пучок позитронов пропускался через пористый диоксид кремния, из атомов которого позитроны захватывали электроны с образованием позитрония. Атомы позитрония некоторое время до их аннигиляции оставались захвачены внутри пор. Возникающие при аннигиляции фотоны регистрировались детектором. В условиях большой концентрации атомов позитрония эффективны процессы их столкновения друг с другом и вызываемые столкновениями переходы из состояния с орбитальным угловым моментом 1 в короткоживущее состояние с моментом 0, что ведет к возрастанию темпа аннигиляции. Было обнаружено, что при большой концентрации позитронов в исходном пучке темп аннигиляций в четыре раза выше, чем предсказывают теоретические расчеты. Одним из объяснений может служить наличие дефектов в используемом пористом материале. По другой гипотезе атомы позитрония в условиях их большой концентрации начинают взаимодействовать между собой с образованием связанных короткоживущих систем - молекул позитрония. Эксперимент пока не может однозначно установить, какая из двух указанных гипотез верна, поэтому необходимы дальнейшие исследования. В будущем планируются эксперименты по созданию бозе-эйнштейновского конденсата атомов позитрония и, возможно, разработка электрон-позитронного аннигиляционного лазера. Источник: Phys. Rev. Lett. 95 195006 (2005)

Лазерный термоядерный синтез
1 января 2006

В Ливерморской национальной лаборатории им.Лоуренса выполнен новый тестовый эксперимент по разработке технологии термоядерного синтеза с использованием мощного лазера. Свет 192-х лазеров направлялся в отверстие в сфере, внутренняя поверхность которой была покрыта золотом. Нагрев слоя золота приводил к генерации мощного рентгеновского излучения, фокусируемого в центре сферы. Пока в эксперименте изучалась только эффективность генерации и фокусировки излучения. В будущем планируется в 100 раз увеличить мощность лазерного излучения и поместить в центр сферы капсулу с дейтерием и тритием. Нагрев и испарение оболочки капсулы создаст большое давление в ее центре, что вызовет ядерные реакции синтеза. Данный метод может стать основой функционирования будущих термоядерных электростанций. Источник: Physics News Update, Number 755

Линзирование в скоплении галактик
1 января 2006

С помощью космического телескопа Хаббла выполнено новое исследование скопления галактик MS1054-0321, наблюдаемого на красном смещении z=0.83, когда возраст Вселенной был примерно в два раза меньше ее современного возраста. По слабому гравитационному линзированию, находящихся на луче зрения галактик, было выявлено распределение массы в скоплении со значительно большей точностью, чем в предшествующих наблюдениях. В частности, наряду с тремя основными сгущениями темной материи (скрытой массы), наблюдались еще несколько меньших сгустков, являющихся спутниками скопления MS1054-0321. Сравнение с рентгеновскими снимками того же скопления, полученными телескопом Чандра, показало, что только два из трех больших сгустков светятся в рентгеновском диапазоне, причем положение рентгеновских максимумов не совпадает с центрами сгустков темной материи. Предполагается, что это является следствием движений горячего вещества под действием давления газа. Описываемые наблюдения важны для понимания структуры скоплений галактик и процессов их образования. Источник: astro-ph/0508044

Новости не опубликованные в журнале


Хитиновый покров - фотонный кристалл
7 января 2006

С помощью электронного микроскопа установлено, что хитиновый покров некоторых жуков имеет структуру фотонного кристалла, в котором чередуются слои хитина с воздушными прослойками. В результате, из спектра отраженного света вырезаются некоторые частоты, и жуки приобретают определенную окраску. Источник: www.aip.org.

Наблюдения Харона
7 января 2006

Наблюдения света звезд, проходящего вблизи спутника Плутона - Харона, показали, что Харон не имеет атмосферы. Также измерен его радиус - 603-606км. При этом радиусе Харон всего в 1.7 раз плотнее воды, и следовательно, состоит преимущественно изо льда. Источник: physicsweb.org.

Теория генерации магнитного поля в ранней Вселенной
7 января 2006

Согласно теоретическим расчетам K.Ichiki и его коллег из Японии, в ранней Вселенной на стадии доминирования излучения могли генерироватья магнитные поля, которые впоследствии усилиливались и оказывали влияние на формирование первых звезд. Кроме того, эти поля сохранились к настоящему времени в межзвездном и межгалактическом пространстве. Генерация происходила в электрон-протонной плазмы за счет увлечения электронов потоками фотонов. В масштабе современного мегапарсека могло генерироваться магнитное поле величиной примерно 10-16.8Гс. Источник: physicsweb.org.

Теория кварковых звезд
7 января 2006

Группой ученых из Лос Аламосской национальной лаборатории выполнены детальные расчеты физических процессов в кварковых звездах - пока не обнаруженных гипотетических объектах. Выводы новой теории существенно расходятся с прежними представлениями. В частности, вблизи поверхности звезды наиболее энергетически выгодно состояние кварковой материи с большим числом s-кварков. Поверхность звезды должна быть неровной, а ее излучение значительно меньше, чем считалось ранее. Источник: www.aip.org.

Поиск частиц темной материи
20 января 2006

В подземной криогенной лаборатории Soudan выполнена новая серия экспериментов по поиску частиц темной материи (скрытой массы). Хотя частицы не обнаружены, получены новые ограничения на их сечения взаимодействий с нуклонами. Источник: prl.aps.org.

Прямая проверка эквивалентности массы и энергии
20 января 2006

В институте им. Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция) выполнена новая прямая проверка формулы А.Эйнштейна E=mc2 с точностью 10-7. Изучались реакции захвата нейтронов ядрами кремния и серы с образованием изотопов 29Si и 33S. Измерялись массы изотопов до и после реакции и энергия излучаемых фотонов. Источник: www.nature.com.

Электронные пузыри в сверхтекучем гелии
20 января 2006

A.Ghosh и H.J.Maris (Браунский университет, США) обнаружили в жидком гелии новый тип электронных пузырей - сферических полостей, образующихся вокруг попавших в объем гилия электронов. В отличие от наблюдавшихся ранее обычных пузырей вокруг свободных электронов, новые пузыри, вероятно, являются пузырями, прикрепленными к вихревым нитям в сверхтекучем гелии. Источник: prl.aps.org.

Поиск бозона Хиггса
20 января 2006

Коллаборацией D0 предпринят поиск Хиггсова бозона - частицы, предсказываемой Стандартной моделью элементарных частиц. Изучались столкновения протонов на ускорителе. Бозоны Хиггса не обнаружены, но получены ограничения на их возможные свойства. Источник: prl.aps.org.

Прямое наблюдение непуассоновской статистике атомов в бозе-газе
20 января 2006

C.S.Chuu и его коллеги из Техасского университета выполнили эксперимент, в котором впервые наблюдалось отклонение от классической статистики методом прямого подсчета атомов. Изучались флуктуации числа атомов 87Rb бозе-эйнштейновского конденсата в ловушке. Источник: prl.aps.org.

Черная дыра промежуточной массы
20 января 2006

Астрономы из университета Айовы обнаружили в галактике M82 черную дыру с массой в 500 масс Солнца. Такие черные дыры относятся к классу черных дыр промежуточных масс - между сверхмассивными черными дырами в ядрах галактик и черными дырами звездных масс. Черная дыра в M82 обнаружена по рентгеновскому излучению, генерируемому при аккреции на нее газа, стекающего со звезды-спутника. Источник: physicsweb.org.

Динамика схлопывающихся пузырьков
20 января 2006

Stephen D. Hopkins и его коллеги изучили динамику пузырьков газа ксенона в жидком оксиде серы, схлопывающихся в процессе сонолюминесценции. В частности, определена температура газа в пузырьках - 7000K и время схлопывания - около 10нс. Источник: prl.aps.org.

Скоростная съемка песчанной струи
20 января 2006

В чикагском университете выполнена высокоскоростная съемка в рентгеновском излучении струи мелкого песка, вытекающего из сосуда. Удалось выявить несколько интересных структурных свойств струи, связанных с ее коллимацией. Источник: www.aip.org.

Плотность дырок
20 января 2006

Группой исследователей из США и Израиля разработан метод прямого измерения с высоким разрешением плотности дырочных состояний в допированных и чистых аморфных органических пленках. Источник: prl.aps.org.

Фаза Гриффифа
20 января 2006

Методом измерений электронного спинового резонанса и магнитной восприимчивости в одном из химических соединений впервые обнаружена фаза Гриффифа (Griffith), которая характеризуется сосуществованием у вещества некоторых ферромагнитных свойств на фоне глобального парамагнитного состояния. Источник: prl.aps.org.

Новый источник когерентного излучения
20 января 2006

Теоретические расчеты, выполненные в Ливерморской национальной лаборатории и Массачусецком технологическом институте, показали возможность создания нового типа источников когерентного излучения. Фронт ударной волны, проходя через диэлектрический кристалл, должен вызывать синфазное колебание атомов в узлах решетки, сопровождаемое излучением когерентной световой волны в диапазоне 1-100 терагерц. Источник: physicsweb.org.

Изменение постоянной тонкой структуры
20 января 2006

N. Kanekar и его коллеги получили новое ограничение на изменение в течение космологического времени постоянной тонкой структуры и отношения массы электрона к массе протона. Измерялись частоты линий излучения и поглощения молекул гидроксила OH в далекой галактике, наблюдаемой радиотелескопом GBT. Источник: www.nrao.edu.

Рекордный пульсар
20 января 2006

Астрономы из Канады и США с помощью радиотелескопа GBT обнаружили пульсар, имеющий частоту вращения вокруг своей оси 716Гц. Прежний рекорд - 642Гц. Столь быстрое вращения накладывает определенные ограничения на уравнение состояния вещества нейтронной звезды. Источник: www.nrao.edu.

Гигантский "суперпузырь"
20 января 2006

Ю.Пидопрыгора, Дж.Локман и Дж.Шилдс (Национальной радиоастрономической обсерватория и Университ Огайо, США) с помощью радиотелескопа GBT обнаружили гигантский газовый "суперпузырь" на расстоянии 10000 световых лет над плоскостью диска Галактики. По мнению астрономов, газ был выброшен из скопления молодых звезд в одной из спиральных ветвей Галактики в результате взрывов сверхновых или под давлением звездного ветра. Источник: www.nrao.edu.

Ультракомпактная двойная нейтронная звезда
20 января 2006

Китайский исследователь Biping Gong привел убедительные аргументы в пользу того, что астрономический объект 1E1207.4-5209 может являться ультракомпактной парой нейтронных звезд с периодом орбитального вращения 0.2-6 часов. Ввиду относительной близости этой пары к Земле (2кпс) она может являться одним из самых перспективных истрочников гравитационных волн для их поиска на строящихся гравитационно-волновых детекторах. Источник: prl.aps.org.

Квантовая корреляция фотонов и атомов
29 января 2006

В Университете шт.Джорджия выполнен эксперимен, в котором квантовое состояние атомного "кубита" переносилось фотонами на расстояние в несколько метров и трансформировалось в состояние другого атомного "кубита". Тем самым, впервые было получено "запутанное" (entangled) квантовое состояние системы атомов и фотонов. Источник: physicsweb.org.

Детектирование наночастиц
29 января 2006

В Рочестерском университете разработана новая методика обнаружения микрочастиц нанометрового размера в реальном времени по рассеянию ими лазерного излучения. Метод, возможно, найдет применение в детектировании вирусов. Источник: physicsweb.org.

Пучок живых клеток
29 января 2006

Группой исследователей из Лондона разработан способ создания тонких струй из живых. Клетки ускоряются электрических полем величиной 30кВ и при этом не разрушаются. Подобные пучки, возможно, найдут применение в медицине. Источник: physicsweb.org.

Наноалмазы в космосе
29 января 2006

В Тайване проведены эксперименты по изучению люминесценции пыли из микроскопических алмазов. Результаты свидетельствуют в пользу той гипотезы, что области диффузного красного света в планетарных туманностях могут быть обусловлены наличием в туманностях алмазов нанометрового размера. Источник: www.aip.org.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#133   morozov »

март 2007 ? 3 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика и оптика
СВЕРХПРОВОДНИКИ: УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ
Кент Ирвин

Наноскопические устройства из сверхпроводящих материалов ?превосходные детекторы, которые можно использовать в самых разных областях науки и техники

Г лаз человека способен определять интенсивность, цвет и пространственное распределение световых лучей. Человеческая сетчатка содержит больше пикселей (элементов изображения), чем обычная цифровая фотокамера ? приблизительно 6 млн. чувствительных к цвету клеток-?колбочек? и более 100 млн. клеток-?палочек?, ответственных за зрение в темноте. Однако ни глазом, ни камерой невозможно измерить частоту фотона ? ведь цветовые характеристики не позволяют определять их точные значения.
Изображение
В отличие от бытовых, детекторы, применяемые в науке и технике, кроме зрительного спектра воспринимают и низкочастотное инфракрасное излучение (характеризующееся большей длиной волны и малой энергией), микроволны, а также высокочастотное рентгеновское и гамма-излучение. И все же их возможности ограничены. В частности, пока не изобретен датчик, способный сколько-нибудь точно ?увидеть? отдельный фотон и определить его частоту, а значит, и энергию. Между тем, такие данные смогли бы открыть доступ к информации о веществе, испустившем фотоны.

Настоящий переворот способны произвести детекторы, работающие на основе явления сверхпроводимости. Скоро такие устройства помогут узнать, что происходило в первые мгновения существования Вселенной, регистрируя следы, оставленные гравитационными волнами в космическом микроволновом поле после Большого взрыва. Появится возможность повысить безопасность квантовой связи, а также противодействовать хищениям и контрабанде ядерных материалов.
Изображение
ЭКСПЕРИМЕНТ на синхротроне. Национальная лаборатория им. Лоуренса, Беркли
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#134   morozov »

С подачи Котофеича:

текст: Алексей Паевский/Infox.ru

Крупнейший в мире ускоритель частиц подкинул физикам из лаборатории Ферми совершенно необъяснимый результат. После долгой проверки ученые все же решились опубликовать его.

Международная команда крупной физической коллаборации СDF, работающая в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми министерства энергетики США (Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory), опубликовала на сайте электронных препринтов результаты эксперимента, которые пока что не получается объяснить в рамках общепринятых физических представлений.

Коллаборация CDF работает на крупнейшем из действующих ныне ускорителей ? Тэватроне. В нем пучки протонов сталкиваются с пучками антипротонов с энергией порядка 1 ТэВ (тераэлектронвольт, 1012 эВ). На таких столкновениях команда CDF уже совершала весьма значительные открытия (например, в 2006 году им удалось открыть барионы Σ+b и Σ-b, состоящие из трех кварков ? u-u-b и d-d-b).

Эксперимент

На сей раз в эксперименте исследовались рождения мюонов в протон-антипротонных столкновениях. Рождение частиц регистрировал детектор CDFII, ?охватывающий? вакуумную трубку с радиусом 1,5 сантиметра, по которой проходил пучок частиц.
авторы

Коллаборация CDF
Ее название означает The Collider Detector at Fermilab ? детектор на коллайдере в лаборатории Ферми; одна из крупнейших коллабораций в физике.

Протон-антипротонные столкновения образовывали мезоны, содержащие b? и u-кварки, которые через одну пикосекунду распадались с образованием в мюона. За это время частица проходила около миллиметра от оси столкновения. Мюоны могут образовываться и при распаде рождающихся Z-бозонов. Но экспериментаторы выбрали такой диапазон энергий, при котором эти частицы не образуются.

И вот здесь наблюдалась очень странная картина: среди зарегистрированных событий нашлось несколько тысяч, в которых хотя бы один мюон рождался на расстоянии 1−2 сантиметра от линии встречного движения протонов и антипротонов. То есть некоторые мюоны рождались уже в детекторе. Статистической ошибкой это быть не может, говорят авторы: слишком много аномальных событий зарегистрировано.
частица

Мюон
Название происходит от греческой буквы μ, которой его обозначают.

Раздумья

Конечно, возможный вариант объяснения ? дефект или конструктивная особенность самого детектора. Но коллаборация CDF известна своей осторожностью с публикацией ?сенсационных? материалов. Поэтому перед обнародованием результатов сначала исключились все ?технические? версии. То, что статья вышла, означает: никто из 450 участников эксперимента не нашел в работе установки никаких огрехов. Поэтому экспериментаторы выдвигают еще одно объяснение: в столкновениях образуется некая новая частица, которая живет на порядок дольше. Соответственно, и путь ее до распада ? на порядок больше. Правда, современная, наиболее используемая физиками модель мироздания (часто именуемая Стандартной моделью) такой частицы не знает.

Есть и еще одна странность. Достаточно часто такие аномальные мюоны рождались не в одиночку, а по несколько. Получается своего рода лептонный джет или лептонная струя (мюон относится к лептонам). А вот лептонных струй при распаде частиц Стандартная модель не знает вообще.

В одном физическом блоге найденную частицу уже назвали ?Halloween particle? ? хеллоуинской частицей. Наверное, такое название за ней и закрепится, если открытие все-таки будет подтверждено. В любом случае, делать какие-то выводы рано. Коллаборация CDF продолжит накапливать свою статистику. Кроме того, очень важно проверить работу их детектора на ?эксперименте-близнеце? коллаборации DZero или D0, которая работает с другим детектором на том же Тэватроне. В любом случае, до начала работы Большого адронного коллайдера физикам-экспериментаторам, как и теоретикам, есть что обсудить.

Пикантные подробности

Впрочем, есть у этой истории и некая скандальная составляющая. За три недели до появления статьи CDF на том же архиве препринтов вышла статья физиков Аркани-Хэймда и Вейнера (N. Arkani-Hamed, N. Weiner) ?LHC Signals for a SuperUnified Theory of Dark Matter?, в которой они предлагают новую модель темной материи. И она как раз предсказывает такие лептонные струи.
http://arxiv.org/abs/0810.0714
В физическом блоге Not Even Wrong автор новости о работе физиков из CDF тоже поразился выходу всего три недели назад теоретической статьи двух авторов, предсказывающих результат коллаборации.
http://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?p=1045

Разумеется, статья о мюонных струях, плод многомесячного труда и последующего обсуждения сотен человек, готовилась долго. И о том, что она готовится, знали многие. Так вот, этот самый блогер-физик простым поиском в Google сумел найти несколько рабочих документов CDF с результатами эксперимента и их обсуждением. То есть, полагает автор, Аркани-Хэймд и Вейнер могли просто ?подогнать? свою модель под результаты CDF и таким образом ?предсказать? их. Разумеется, Вейнер сразу же выступил в том же блоге с заявлением, что они вообще о результатах работы CDF узнали только из этого самого блога, и только после этого прочли статью коллег.

Открытие российских СМИ

Зато любопытно проследить за тем, как это событие освещалось в рунете. Вообще о препринте коллаборации российские научные журналисты узнали из блога астрофизика из ГАИШ к. ф.-м. н. Сергея Попова. Затем физик Игорь Иванов из Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН кратко прокомментировал новость в своем блоге, откуда она и пошла по новостным агентствам.

Некоторые СМИ передали суть событий довольно точно, но по мере путешествия по просторам интернета информация претерпела значительные изменения ? в основном по месту проведения экспериментов. Кто знает, что такое Тэватрон? Это нерейтингово. Зато Тэватрон ? коллайдер, а это слово уже знают. Поэтому, например, некая Анна Процевская из информационного агентства ?Пресс-Лайн?, переписав слово в слово статью Игоря Иванова (ведь для того чтобы пересказать текст своими словами, надо его понять) добавила от себя слова: ?в Большом аНдронном коллайдере?.

А вот авторам Yoki.ru на их цитату из статьи в рубрике ?Креаtiфф? (?Тэватрон на сегодня является коллайдером с самой высокой энергией частиц. Это почетное звание отберет у него лишь Большой Адронный Коллайдер, после починки и запуска, пишет arxiv.org?) хочется просто сказать: arхiv.org вообще ничего не пишет. Он вообще не новостное издание. Это библиотека (недаром этот сайт ? проект библиотеки Корнелльского университета), архив препринтов ? место, куда ученые (в основном физики и астрономы) выкладывают электронные версии своих статей до ?бумажной? публикации. Своего рода доска, где можно заявить о своем приоритете в том или ином открытии. Вот такой вот ?креатифф? получается.

Тем не менее, само событие наверняка заслуживает пристального внимания ученых. Поэтому Infox.ru следит за развитием ситуации.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34979
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#135   morozov »

апрель 2007 ? 4 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика
ЛУЧ БЕЛОГО СВЕТА
Роберт Р. Альфано

Суперконтинуум лазерного излучения ? последнее слово в области высокоточных измерений

Свет бывает тусклым, ярким, поляризованным, может быть модулированным с высокой или низкой частотой. Кроме того, он способен охватывать широкий частотный спектр электромагнитного излучения. Для видимого диапазона частота колебаний волны связана с ее длиной (чем короче волна, тем выше частота) и определяет цвет излучения. Например, спираль накаливания излучает во всем видимом диапазоне электромагнитного спектра, в результате чего ее свет белый. Однако обычную лампу вы вряд ли сможете использовать в метрологии или спектроскопии. Дело в том, что испускаемые осветительными приборами лучи обладают низкой интенсивностью и не когерентны.

ЛУЧ БЕЛОГО СВЕТА
Изображение
Конечно, лазерные импульсы, давно применяемые исследователями, не имеют недостатков искусственного света, однако излучение лазеров охватывает в лучшем случае узкий спектральный диапазон. Очевидно, что появление источника, сочетающего в себе свойства излучения спирали накаливания и лазера, совершило бы переворот в области высокоточных измерений.

В результате поиска новых идей в 1969 г. был изобретен принцип ?светового суперконтинуума?. Излучение лазера, основанного на разработанном суперконтинууме, охватывало большую часть видимого диапазона или ?октавы? (по аналогии со звуком ?световая октава? длится от единичного значения частоты до ее удвоенной величины). Впервые белый лазер был применен при исследовании динамики локальных колебаний в жидкой среде. Позже суперконтинуум генерировался при работе с пикосекундными (10?12 сек) и фемтосекундными (10?15 сек) процессами (примером этого может служить поглощение фотона при фотосинтезе или зрительном восприятии).

Исследователи пошли дальше и в 1999 г. компаней Lucent Technologies было разработано оптоволокно для генерации белого лазера. Помимо прочих преимуществ, нить концентрирует свет в узком диапазоне, позволяя поддерживать высокую интенсивность волн на больших расстояниях. (Лежащие в основе генерации суперконтинуума нелинейные оптические процессы становятся более выраженными при увеличении мощности излучения.) Позднее разработчики смоделировали волокна, оптические свойства которых меняются в соответствии с частотой излучения, что позволяет использовать нелинейные процессы, возникающие при генерации лазерного луча.

Что же влияет на образование светового суперконтинуума?
Изображение
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА для получения светового суперконтинуума. Лазер посылает импульс высокой интенсивности (красный свет) в оптическую среду (здесь контейнер с жидкостью). На выходе спектральная ширина луча лазера существенно больше (белый свет).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»