физика элементарных частиц

Пятничная физика элементарных частиц

Материя - это энергия, Е=мс2

На какие мелкие частицы бы ее не расщепляли, именно материю найти не удаётся

Дошли до того, что самые мелкие частицы - энергия. Что такое энергия - волна, колебание чего-либо. Когда ничего нет - колеблется само пространство. Назвали "струны".

Еще такой эффект - масса замедляет время. Так как масса = энергия, то в том месте, где больше энергии, там медленнее течёт время

И свет замедляется в месте скопления энергии, даже меняет направление движения, отклоняется в сторону массы. Это хорошо видно на примере чёрных дыр

Так вот что я подумал: 

Это всё объясняется законом сохранения энергии. Масса (локальная энергия) вызывает замедление времени. Это значит, всё процессы протекают медленнее. А там, где медленнее, туда стремятся переместиться окружающие объекты (массы) по закону сохранения энергии. Они как бы скатываются в ямку, стремятся занять более низкое энергетическое положение - это и называется гравитацией

Почему масса вызывает снижение времени, предположение, что энергия требует затрат вычислительных мощностей

Стандартная модель наглядно

Физики подтвердили наличие аномалии в электромагнитном отклике протона

Если я верно улавливаю суть то это довольно крутое открытие которое подтверждает возможность квантовых энергетических уровней в протоне (раньше про квантовые уровни энергии/орбитали говорили для электронов, теперь официально и для протонов), перспективы этого открытия лично мне представить пока сложновато (протонный лазер?,  холодный термоядерный синтез?, просто узнаем что у протона внутри?) но очень интересно.

Большая группа физиков уточнила зависимость электрической и магнитной поляризуемости протона от квадрата переданного 4-импульса. Для этого они исследовали виртуальное комптоновского рассеяние, обстреливая электронами мишень из жидкого водорода. Результаты эксперимента позволили подтвердить существование аномалии в окрестности 0,33 квадратных гигаэлектронвольта, что противоречит существующим теориям ядерных взаимодействий. Исследование опубликовано в Nature.

Протон имеет положительный заряд, равный элементарному, однако, в отличие от электрона, этот заряд складывается из зарядов частиц, входящих в его состав (партонов). Среди них могут быть и отрицательно заряженные партоны: валентный d-кварк, а также бесчисленные отрицательные морские кварки, рождающиеся в парах частица-античастица. Это означает, что внешнее электрическое поле должно смещать части протона относительно друг друга, что физики характеризуют с помощью электрической поляризуемости (также еще бывает и магнитная поляризуемость).

Величина этого параметра напрямую зависит от жесткости протона, а потому несет важную информацию о взаимодействиях внутри него. В экспериментах по рассеянию электронов на протонах поляризуемости дают различный вклад в его исход в зависимости от квадрата переданного от частицы системе 4-импульса. Измеряя эту зависимость, Роше с коллегами еще в 2000 году обнаружили аномальный пик при 0,33 квадратных гигаэлектронвольта, который противоречит теоретическим соображениям, предсказывающим монотонный спад к этой области, хотя точность эксперимента было не очень большой. Проблема усугубляется тем, что такие переданные импульсы — это область, в которой плохо работают приближенные методы квантовой хромодинамики — теории кварк-глюонных взаимодействий. По этой причине крайне важно иметь высокоточные данные об аномалии, чтобы улучшить протонные модели.

Ценную работу в этом направлении проделала большая группа физиков из Армении, Индии, Канады и США под руководством Николаоса Спарвериса (Nikolaos Sparveris) из Университета Темпл. Они провели измерение сечение виртуального комптоновского рассеяния, обстреливая протоны электронами в зале C лаборатории Джефферсона. За счет нескольких технических улучшений, ученые смогли добиться большей точности, нежели была у их предшественников. В результате группа подтвердила существование аномалии.

Поляризуемость атомов и молекул физики умеют измерять сравнительно легко. Тот же параметр для протонов измерять гораздо сложнее в силу иных физических масштабов. Некоторые выводы об электрической и магнитной поляризуемости можно сделать, облучая протоны электромагнитным излучением. В этом случае наблюдается реальное рассеяние Комптона, которое сопровождается изменение частоты фотона. Скалярные компоненты нужных величин (то есть поляризуемости при нулевом квадрате переданного 4-импульса) появляются во вкладах второго порядка в соответствующий гамильтониан взаимодействия.

Для исследования же зависимости поляризуемостей от различных переданных 4-импульсов, физикам нужны процессы с нарушением связи энергия-импульс, то есть вне массовой поверхности. Такое происходит при взаимодействии с виртуальными частицами. Поэтому полностью поляризуемости проявляют себя при измерении виртуального комптоновского рассеяния, в котором падающий фотон рождается в акте взаимодействия электрона с протоном как частица-переносчик.

Для исследования такого рассеяния физики направляли пучок электронов с энергией 4,56 гигаэлектронвольт на мишень из жидкого водорода толщиной 10 сантиметров. Спектрометры в экспериментальной камере фиксировали энергии и импульсы рассеявшихся электронов и протонов отдачи. По совпадениям от них можно было восстановить всю кинематику рассеяния. Особенностью проделанного эксперимента стало то, что его авторы проводили измерения вблизи нуклонного резонанса, где поляризуемости проявляются сильнее. Кроме того, физики концентрировались на азимутально-симметричных рассеяниях фотона, сравнения которых позволили исключить ряд систематических факторов.

Физики обработали данные для трех переданных 4-импульсов: 0,28, 0,33 и 0,40 квадратных гигаэлектронвольта. Они подгоняли измеренные сечения под модель на основе дисперсионных соотношений, куда электрическая и магнитная поляризуемости входят в качестве свободных параметров, в то время как протонные электромагнитные форм-факторы считались известными и брались учеными из литературы. Строя зависимость поляризуемостей от переданных 4-импульсов, авторы подтвердили, что для ее электрической части на 0,33 квадратных гигаэлектронвольта присутствует пик, который, однако, примерно в два раза меньше, чем тот, что наблюдался ранее.

Исходя из модели, авторы оценили средний квадрат радиуса электрически поляризованного протона, который оказался равен 1,36 ± 0,29 квадратных фемтометра. Это почти в два раза больше, чем средний квадрат радиуса неполяризованного протона, равный примерно 0,7 квадратных фемтометра. Физики связывают такое изменение главным образом с деформацией мезонного облака в протоне. Средний квадрат радиуса магнитно поляризованного протона оказался равен 0,63 ± 0,31 квадратных фемтометра, что свидетельствует о компенсации диа- и парамагнитных вкладов в протоне.

полностью на n+1

Падение антиматерии «закрыло» антигравитацию

Хотя итоги нового эксперимента совпали с общими предсказаниями теории Эйнштейна, по ряду причин полученный результат не был очевиден заранее. Экспериментальные данные впервые позволили решить столь важный вопрос окончательно.

Часть установки ALPHA-g, использованной в новом эксперименте

Принцип слабой эквивалентности сил гравитации и инерции Общей теории относительности Эйнштейна указывает, что все объекты, вне зависимости от их массы или конкретного состава, должны падать в гравитационном поле в одном направлении. Другой вывод просто несовместим с видением гравитации в ОТО.

Однако на протяжении десятков лет целый ряд физиков пытались выдвигать иные предположения — основывая свои попытки на том, что ОТО обладает, на их взгляд, некоторыми слабостями. Первой стало предсказание состояния сингулярности (при котором физические законы не работают, а время не течет) в момент старта Большого взрыва. Вторым многие посчитали отсутствие квантовой теории гравитации — из-за моды на квантовый подход этим ученым казалось, что и гравитация должна быть описана с таких позиций, хотя сам Эйнштейн подобное мнение не разделял.

В этом смысле возможность установить, ведет ли себя антиматерия так, как предсказывает его теория или как предполагали многие сторонники создания квантовой теории гравитации, имела очень большое значение. Если антивещество «падает» вверх, то основные постулаты ОТО нуждаются в корректировке, либо, как это формулируют иные исследователи, «перед нами открывается дорога для Новой физики».

Было и множество гипотез «с практическим уклоном» — о том, что антивещество будет отталкиваться обычной гравитацией, на основе чего можно будет создать «антигравитационные машины». В XX веке в США была даже правительственная программа, исследующая такую возможность.

На практике прояснить вопрос оказалось исключительно сложно: антиматерию трудно создать и изолировать от обычной так, чтобы удерживающие ее при этом магнитные поля не «зашумляли» воздействие гравитации на античастицу.

В 2018 году специальная группа при ЦЕРН запустила ALPHA-g — специализированную магнитную ловушку для атомов антиводорода, созданную именно для проверки такой возможности. Атомы антивещества — антиатомы — сперва «подвешивали» в вакуумной камере, а потом так отключали действующие на них магнитные силы (они же силы, удерживающие атом в пустоте), чтобы можно было непосредственно увидеть, куда же падает антивещество.

Для этого установка использовала мощный источник античастиц:

По расчетам, в случае правоты принципа слабой эквивалентности ОТО 20 процентов всех пойманных в ловушку атомов антиводорода должно было покидать ее через верх, а 80 процентов — через низ. Именно так и произошло в не раз повторенных экспериментах.

Таким образом, международной группе исследователей удалось зафиксировать, что движение антивещества в цилиндре происходит точно как у обычных атомов — вниз, а не вверх. Это сразу закрывает гипотезы «антигравитации».

В то же время, отметили авторы новой работы в журнале Nature, остается неясным, насколько сильно антивещество притягивается гравитацией Земли. С точки зрения ОТО это должно происходить точно так же, как для обычного вещества. Но пока точности наблюдений ALPHA-g не хватает, чтобы подтвердить это экспериментально. Ученые надеются добиться такого результата в будущем.

От того, насколько верна ОТО, фактически зависит не только наше понимание поведения антивещества, но и вся картина Вселенной. Сейчас уже ясно, что прежняя идея о некоей сингулярности в момент Большого взрыва нерабочая. Однако, варианты решения этой проблемы сильно различаются между собой. Часть физиков пытаются решить ее с позиций квантовой механики, а часть, напротив, с позиций теории относительности Эйнштейна.

Статья спизжена отсюда

С помощью микроторнадо из жидкого гелия-4 в лаборатории создали наиболее точную модель чёрной дыры

Группа британских учёных опубликовала в журнале Nature статью, в которой сообщила о создании наиболее точной модели чёрной дыры. Прямое наблюдение этих объектов в природе крайне затруднено, поскольку чёрные дыры блокируют электромагнитное излучение. Поэтому лабораторное моделирование — это один из путей изучить их свойства и сопоставить с теоретическими представлениями.

Нейрокартинка для набивая классов

В качестве основы лабораторной модели чёрной дыры учёные из Ноттингемского университета, Королевского колледжа Лондона и Университета Ньюкасла представили охлаждённый до сверхтекучего состоянии изотоп гелий-4. Вещество охладили до -271 °C и закрутили в воронку.

В одном из ранних исследований учёные обратили внимание на то, что воронка воды сильно напоминает гравитационные явления искажения пространства-времени вблизи чёрных дыр. Использование для моделирования жидкости в сверхтекучем состоянии с охлаждением едва ли не до абсолютного нуля привносит в процесс квантовые свойства, а это — путь к квантовой теории поля и сути квантового поведения чёрных дыр. По крайней мере, на уровне квантовой механики ряд процессов должны проходить одинаково и это можно соотнести с теорией.

«Использование сверхтекучего гелия позволило нам изучить крошечные поверхностные волны с большей детализацией и точностью, чем в наших предыдущих экспериментах в воде, — пояснил физик Патрик Шванчара (Patrik Švančara) из Ноттингемского университета, который руководил исследованием. — Поскольку вязкость сверхтекучего гелия чрезвычайно мала, мы смогли тщательно исследовать их взаимодействие со сверхтекучим торнадо и сравнить полученные результаты с нашими собственными теоретическими прогнозами»

«Торнадо в стакане»

Изучая «торнадо в стакане», исследователи смогли выявить сходство между вихревым потоком и влиянием вращающейся чёрной дыры на искривленное пространство-время вокруг нее. В частности, исследователи наблюдали стоячие волны, аналогичные связанным состояниям чёрной дыры, и возбуждения, аналогичные кольцевому замыканию новообразованной чёрной дыры. И это только начало. Теперь, когда исследователи продемонстрировали, что их эксперимент работает так, как они задумали, «вихрь» готов открыть новую область науки о чёрных дырах.

Статья спизжена отсюда

В состав астероидов могут входить неизвестные типы «сверхплотной» материи

Плотность некоторых крупных астероидов может в разы превышать плотность любых известных на Земле элементов. Это должно указывать на то, что «космические камни», по крайней мере частично, могут состоять из неизвестных типов очень плотной материи, которые нельзя изучить с помощью «стандартной модели физики». Авторы нового исследования попытались объяснить чрезвычайно высокую плотность одного из таких крупных астероидов.

Орбита астероида (33) Полигимния и его положение в Солнечной системе

В середине XX века советский физик-ядерщик Геогий Флеров со своими подопечными смог синтезировать в лаборатории ряд сверхтяжелых элементов, включая унунквадий с атомным номером (Z) 114, впоследствии его переименовали в флеровий в честь физика.

Под атомным номером (порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов таблицы Менделеева) понимают количество положительных элементарных зарядов в атомном ядре. На сегодня в периодической таблице числятся 118 элементов, в природе встречается 92 из них, остальные 26 получены искусственно. Чем выше атомный номер элемента, тем он «тяжелее».

Советские ученые предположили, что все элементы, полученные в лаборатории, должны были когда-то существовать на Земле, но с течением времени они распались. Действительно, их следы, пусть и ничтожные, находят на нашей планете. Например, следы нептуния (Z=93) обнаружены в урановых рудах — это продукты ядерных реакций под действием нейтронов космического излучения и спонтанного деления урана.

Флеров выдвинул гипотезу, что в природе должен существовать «остров стабильности сверхтяжелых ядер» — группа сверхтяжелых элементов, находящаяся за пределами уже открытой части таблицы Менделеева.

Остров стабильности на карте изотопов

Сегодня физики разделяют сверхтяжелые элементы на две группы:

— С атомным номером от 105 до 118, которые были получены искусственно, но при этом радиоактивны и нестабильны, с очень коротким периодом полураспада, и, следовательно, они представляют только академический и исследовательский интерес;

— Элементы «острова стабильности» с атомным номером больше 118. Они пока не наблюдались в природе, но для некоторых из них были предсказаны свойства. В частности, расчеты показывают, что могут существовать элементы до Z=164, при этом они могут оставаться стабильными на протяжении долгого времени.

Поскольку плотность элементов, как правило, возрастает с увеличением их атомной массы, можно ожидать, что элементы «острова стабильности» будут чрезвычайно плотными.

На Земле самый плотный стабильный элемент — металл осмий (Z=76) — 22,59 г/см3, его плотность почти в два раза больше, чем внутреннего ядра Земли. Однако в космосе встречаются объекты с плотностью элементов намного выше, чем у осмия, — так называемые компактные сверхплотные тела (compact ultradense objects, CUDO).

Один из ярких примеров таких объектов — астероид Главного пояса (33) Полигимния: согласно расчетам, его плотность составляет около 75 г/см3. Группа американских физиков из Аризонского университета попыталась объяснить эту особенность астероида. Ученые задались целью рассчитать атомную структуру и свойства сверхтяжелых элементов Полигимнии (около значения Z=164), используя модель атома Томаса — Ферми. Результаты работы опубликованы в The European Physical Journal Plus (здесь можно ознакомиться с ее полным текстом).

«Мы выбрали эту модель, несмотря на ее неточность, за то, что она позволяет систематически изучать атомную структуру потенциальных сверхтяжелых химических элементов, которых нет в известной периодической таблице. Кроме того, с ее помощью можно исследовать множество атомов за короткое время», — объяснил ведущий автор исследования Ян Рафельски.

Плотности элементов с атомным номером от 1 до 100. Красными треугольниками отмечены тяжелые металлы. Красный треугольник в правом верхнем углу — осмий (Z=76), самый плотный стабильный элемент на Земле

Расчеты физиков показали, что элементы, которые имеют атомные номера близкие к 164, могут быть стабильными и при этом их плотность может составлять от 36,0 до 68,4 г/см3 — значение очень близкое к значению плотности, полученному при изучении Полигимнии (75 г/см3).

Авторы сделали вывод, что на астероиде могут находиться сверхтяжелые элементы «острова стабильности». Если оценки плотности верны, то, скорее всего, Полигимния состоит из неизвестных на сегодня сверхтяжелых ядер элементов, которые пока невозможно изучить на Земле — по крайней мере, при современном уровне возможностей в области получения атомных ядер.

Предсказанные границы массовой плотности сверхтяжелых элементов в областях атомных номеров Z = 114, 140 и 164 (зеленые точки), пунктиром линейная интерполяция

Стоит отметить, что на вопрос об «острове стабильности» есть и иная точка зрения. Ряд ученых считают, что такие элементы в любом случае не могут быть достаточно долгоживущими, а обнаружение астероидов с аномальной плотностью (типа Полигимнии) может объясняться ошибками в астрономических наблюдениях. Окончательно прояснить вопрос могли бы только исследовательские миссии к таким телам.

Статья спизжена отсюда