Когда речь заходит о фундаментальных вопросах мироздания, таких как природа массы, состав таинственной тёмной материи или различие между материей и антиматерией, на передний план выходят ускорители частиц. Эти сложные машины, способные разгонять мельчайшие строительные блоки нашей Вселенной до колоссальных скоростей, — своего рода микроскопы, позволяющие заглянуть в самые глубины мироздания.

Начало пути: Атом оказался не так прост

В начале XX века учёные, вооружившись новыми знаниями и пытливым умом, начали понимать, что атом — не просто неделимая частица, а целый микрокосм, полный своих секретов. Дж. Дж. Томсон открыл электроны, крошечные, отрицательно заряженные «корпускулы», которые, как оказалось, являются составными частями атомов. А Эрнест Резерфорд установил, что атом имеет ядро, в котором сосредоточена почти вся его масса.

​​​​​​​На школьных уроках физики нам рассказывали про все: и про длины волн, и про виды линз, и про волны с корпускулами… Так много всего заумного, что задаваться детским вопросом сколько же весит свет становится просто стыдно. Не переживайте — мы задались вопросами и нашли ответы за вас!

Примерно 90% информации об окружающем мире человек получает визуально, то есть благодаря улавливанию зрительными анализаторами отражений света.

Раньше люди думали, что свет – это луч, состоящий из частиц. Потом поняли, что волна. Потом увидели, что свет проявляет свойства и частицы и волны и придумали корпускулярно-волновой дуализм. Так и что же получается, свет – это и частица и волна одновременно? Нет!

Чем вообще частицы отличается от волны с точки зрения квантовой физики? Прямым следствием корпускулярно-волнового дуализма является неопределенность Гейзенберга – принцип квантовой физики, согласно которому мы не можем в равной степени точно знать и импульс и координату квантового объекта. И дело тут не в ограниченности наших технологий, а в самом устройстве квантовой физики.

Все твёрдые и осязаемые тела состоят из вещества, собранного в атомах и молекулах, но между частицами есть пространство, в котором как будто бы ничего нет. Если следовать этой логике, то окажется, что и сами атомы состоят из пустоты.

Внутри атомов находятся электроны — точечные частицы, которые не имеют размеров, а ядро атома примерно в 10 тысяч раз меньше самого атома. Выходит, что любой атом почти целиком состоит из пустоты — почти всё вещество атома сосредоточено в его ядре. Ядро, в свою очередь, состоит из нейтронов и протонов, а они сложены из ещё более элементарных частей, которые называются кварками. И кварки тоже не имеют размеров — это просто точки.

Подобные рассуждения исходят из неверных допущений. На самом деле пустоты не существует...

Скачать

Микрочастицы при сливе в лазерном свете

На закате существования Советского Союза в Подмосковье стартовало строительство крупнейшего инновационного объекта — коллайдера. Этот проект мог стать научной революцией 80-х, ведь на тот момент аналогов ему в мире еще не было. Мощности Тэватрона в США и швейцарского суперколлайдера значительно уступали советской разработке. Но пришли 90-е, а с ними и развал Союза. Финансирование по понятным причинам прекратилось, и сегодня ускоритель частиц в законсервированном виде по-прежнему занимает километры подземелья под Протвино.

Наша история началась с Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад. Согласно теории, за миллионные доли секунды после своего рождения Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц – глюонов и кварков. Затем за очень короткий промежуток времени эта плазма остыла, а из ее частиц образовались известные нам протоны и нейтроны. Компанию им составили различные нестабильные частицы неизвестной структуры – так называемые частицы Х, о существовании которых мир узнал в 2003 году.

Тогда японский коллайдер Belle предоставил первые свидетельства существования X-частиц. Эти частицы, однако, распадались слишком быстро, так что изучить их структуру физикам не удалось. Теперь же ученые смогли воссоздать материю первых мгновений жизни Вселенной и наконец обнаружили загадочные частицы. Здорово, не так ли? Вот только плохо изученные частицы не вписываются в существующие модели формирования вещества.

«Частица Икс» с незапамятных времен обнаружена внутри Большого адронного коллайдера

Нейтрино – родственники электронов (а также мюонов и тау-мезонов), практически лишенные массы и не несущие никакого заряда. Поэтому Вселенная для них прозрачна: мы не замечаем, как мириады нейтрино ежесекундно проходят сквозь наше тело. Даже в заполненном свинцом объеме их свободный пробег достигает сотни световых лет, а в глубоком вакууме космоса – многих миллионов. Эти частицы появляются в недрах Солнца, в окрестностях сверхмассивных черных дыр, рождаются во вспышках сверхновых и могут многое рассказать о происходящем там.

Однако «выслушать» их нелегко.

Большой адронный коллайдер, как известно, машина невероятно сложная. Среди основных задач ускорителя заряженных частиц – разгон протонов и тяжелых ионов и изучения продуктов их соударений. Так что когда говорят «эти колдуны-ученые дробят материю на атомы», все действительно так, за исключением, конечно, того, что ученые – не колдуны. Новое исследование, результаты которого были представлены в ходе международной научной конференции по физике, подтвердило существование ранее неизвестной частицы, которая представляет собой тетракварк – экзотический адрон, содержащий два кварка и два антикварка.

Это – самая долгоживущая частица экзотической материи, которую когда-либо открывали исследователи, и первая, содержащая два тяжелых кварка и два легких антикварка. И прежде чем вы окончательно запутаетесь, напомним, что кварки – это фундаментальные строительные блоки, из которых строится материя. Объединяясь, эти субатомные частицы образуют адроны – группу, включающую знакомые протоны и нейтроны (иными словами, кварки меньше, чем просто маленькие.) Протоны и нейтроны состоят из трех кварков, но недавно обнаруженная частица адрона состоит из четырех, что делает ее разновидностью тетракварка – абсолютно новой частицы.

Физики открыли новую элементарную частицу – двойной тетракварк

Открытие новой силы в природе — святой Грааль физики элементарных частиц. (Фото: PA)
 

Ключ к пониманию того, как устроена Вселенная, возможно, был обнаружен учеными на Большом адронном коллайдере (БАК) в результате прорыва, названного самым удивительным за последние 20 лет.

Физики, изучающие элементарные частицы обнаружили признаки того, что таинственная частица или сила взаимодействуют с другими частицами так, как никогда раньше. Это может объяснить некоторые из самых глубоких загадок современной физики, например, из чего состоит темная материя или почему во Вселенной существует дисбаланс материи и антивещества.

На встречу мы сильно опоздали. Ночью ударил внезапный мороз, и паром, который должен был перевезти нас через Волгу, задержался часа на полтора, пока расчищали наросший у берега лед. Зато появилось время на то, чтобы обстоятельно объяснить всей нашей команде, для чего пришлось грузить в багажник фототехнику и с раннего утра отправляться на дальний край Подмосковья. Начать пришлось издалека — с самого рождения мира.

Появление бозона Хиггса на компактном мюонном соленоидном детекторе на Большом адронном коллайдере. Это высокоэнергетическое столкновение иллюстрирует всю мощь преобразования энергии, всегда существующей в виде частиц

Энергия играет важнейшую роль не только в нашей повседневной жизни, наполненной технологиями, но и в фундаментальной физике. Химическая энергия, хранящаяся в бензине, преобразуется в кинетическую энергию наших средств передвижения, а электроэнергия с электростанций преобразуется в свет, тепло и другие виды энергии в наших домах.

Но эта энергия будто бы существует в виде одного свойства независимой системы. Но обязательно ли всё должно быть именно так? Наш читатель из Москвы задаёт вопрос по поводу самой энергии:

Существует ли чистая энергия, возможно, некоторое малое время перед тем, как превратиться в частицу или фотон? Или это всего лишь удобная математическая абстракция, эквивалент, используемый нами в физике?

За последние 115 лет физики обнаружили, что практически всё материальное, включая камни, дождь, солнце и солнечный свет, океанские волны и радиоволны, можно описать в терминах частиц (и соответствующих им полей). Эксперименты обнаружили разнообразие типов частиц, которые на сегодняшний день кажутся нам элементарными (то есть, не состоят из более элементарных частиц). Всё сложное многообразие нашего привычного мира состоит из небольшого набора таких частиц. Остальные частицы мимолётны, они так быстро распадаются, что в обычных условиях мы их не встречаем. Но они могут хранить ключи к секретам Вселенной, остающимся недоступными для нас.



В этой статье вы найдёте небольшой обзор текущего понимания частиц и организации их в классы. Что-то вроде периодической таблицы частиц с парочкой подвохов. Кроме того, вы узнаете, что делает с частицами поле Хиггса и его критичную роль в жизни Вселенной.

Наше текущее понимание, вместе с простейшими гипотезами по поводу работы частицы и поля Хиггса сводится в набор уравнений под названием «Стандартная модель физики частиц», или просто «Стандартная модель». Элементарные частицы в Стандартной модели исторически обладают очень странными названиями, а также большим разбросом масс. На рис. 1:

Скачать

Вы, наверное, слышали о так называемом эффекте Казимира в научно-фантастическом фильме, но было ли вам известно, что энергию пустого пространства можно в теории использовать для исследования Вселенной? Эффект Казимира описывает, что в пустом пространстве есть энергия, которая может воздействовать на физические объекты. Ученые разрабатывают способы применения этой концепции в самых разных областях, от освоения космоса до нанотехнологий. Правильно используемое «пустое пространство» Вселенной может быть использовано для ускорения космических кораблей в регионы, в настоящее время неизведанные человеком.

Источник: ПостНаука
Автор: Олег Ручайский, доктор философии (PhD)

15 декабря 2014 года на сайте журнала Physical Review Letters была опубликована статья с описанием результатов рентгеновских наблюдений галактики Андромеда и скопления галактик в Персее, которые указывают на существование частиц темной материи. Мы попросили прокомментировать это исследование одного из авторов статьи астрофизика Олега Ручайского.

Источник: ПостНаука

Какая функция у дискурсивных слов? Почему естественный русский дискур не может существовать без слов-паразитов? В каких языках больше всего дискурсивных слов? Почему они появляются в языках, где есть необходимость в постоянном межличностном взаимодействии? Об этом рассказывает один из создателей Национального корпуса русского языка Владимир Плунгян.

Об авторе: Владимир Плунгян, доктор филологических наук, член-корреспондент РАН, профессор, заведующий отделом типологии и ареальной лингвистики Института языкознания РАН и отделом корпусной лингвистики и поэтики Института русского языка имени В.В. Виноградова РАН, специалист в области морфологии, африканистики и корпусной лингвистики.

^{Новая частица проявила себя как всплеск событий с центром на шкале массы в 10,54 ГэВ/с2 (третий пик на красном графике). Пунктир — фоновый уровень (иллюстрация ATLAS Collaboration).}

Первая с момента начала работы Большого адронного коллайдера новая субатомная частица обнаружена при анализе результатов протон-протонных столкновений. К удовольствию физиков, частица эта укладывается в ранее построенные теоретические модели.

Виновница торжества носит название ?b(3P) (читается «хи би 3 пэ»). Она является кварконием (так именуют мезоны, состоящие из кварка и антикварка одного и того же аромата). В данном случае, по расчётам авторов работы, перед нами промелькнула связанная пара прелестных кварка и антикварка.

В 1948 году Хендрик Казимир (Hendrik Casimir) предсказал интересный эффект, который вытекает из квантовой теории поля. Согласно ей, абсолютной пустоты – вакуума – не существует: в нем постоянно происходят энергетические флуктуации с образованием частиц и античастиц. Эти частицы возникают «как бы из ничего», и моментально исчезают снова, так что вполне оправданно именуются виртуальными частицами.

В числе этих частиц появляется и исчезает и немало фотонов, носителей электромагнитных взаимодействий. Эти виртуальные фотоны могут соответствовать практически всему спектру электромагнитных колебаний.

Неизвестная частица, признаки существования которой в начале апреля были обнаружены физиками (читайте на MagSpace) в эксперименте на коллайдере Теватрон (США), стала "более реальной" — новые данные уже практически исключают возможность, что наблюдаемый эффект является лишь флуктуацией, говорится в сообщении в блоге Resonaances.