Крупицы Вселенной

VicRus

Administrator
#1
.
Крупицы Вселенной



На ускорителях элементарных частиц получены намеки на новую физику
В последние несколько дней в лентах научно-популярных новостей появилось сразу несколько интересных сообщений из мира элементарных частиц. Исследователи обнаружили как намеки на новую физику, так и свидетельства рождения "священного Грааля" старой физики - бозона Хиггса. Итак, что же именно обнаружили специалисты?

Кварки, лептоны и прочие бозоны
Физика элементарных частиц изучает самые базовые "кирпичики", из которых состоит окружающая материя - что и отражено в названии этого раздела исследований. Ученые анализируют, как именно взаимодействуют друг с другом элементарные частицы, и "вытаскивают" из полученных данных физические законы, которые управляют этими взаимодействиями. Впрочем, исследователи редко подходят к анализу новых данных, так сказать, с чистого листа - обычно у них в запасе есть одна-две теории, которые предсказывают, что именно физики должны обнаружить в экспериментальных результатах. В итоге, каков бы ни был итог эксперимента, ученые оказываются в выигрыше - они либо подкрепляют позиции традиционной гипотезы, либо находят доказательства того, что мир устроен интереснее, чем придумали теоретики.

Новые результаты, не укладывающиеся в рамки предыдущих физических моделей, позволяют физикам в итоге расширить свои представления об устройстве окружающего мира, однако поначалу появление таких результатов может сильно смущать ученых. Когда в 1936 году физик Карл Андерсон доказал существование частицы под названием мюон, его коллега, теоретик Исидор Раби раздосадовано спросил “Ну, и кто это заказывал?” Существовавшие на тот момент теории не подразумевали существования каких-либо новых частиц, и появление мюона фактически перечеркивало их.
На сегодняшний день большинство физиков полагают, что лучше всего фундаментальные принципы строения Вселенной объясняет так называемая Стандартная модель. Согласно этой теоретической конструкции, все возможные типы вещества образуются из различных сочетаний 12 частиц, относящихся к группе фермионов. Эти частицы можно распределить по трем семействам так, что свойства членов одного из них напоминают свойства "симметричных" частиц из других семейств, разве что масса частиц постепенно возрастает от семейства к семейству.

Шесть из двенадцати фермионов относятся к группе лептонов, а оставшиеся шесть являются кварками - именно из них построены знакомые всем со школы протоны и нейтроны. Кварки и лептоны участвуют в различных типах взаимодействий между частицами. Стандартная модель описывает три из четырех известных на сегодня фундаментальных взаимодействий - сильное (удерживает вместе компоненты атомных ядер), слабое (с ним, в частности, связан бета-распад ядер элементов) и электромагнитное. Четвертое взаимодействие - гравитационное - не укладывается в Стандартную модель, и это основная причина, по которой многие специалисты считают, что эта мыслительная конструкция не является истинно фундаментальной.

Взаимодействия между частицами происходят не просто так - за каждое из них отвечает особая частица-переносчик. Сильное взаимодействие обеспечивается так называемыми глюонами, слабое - W- и Z-бозонами, а электромагнитное - фотонами. Когда физики изучают результаты экспериментальных данных, они уточняют свои представления обо всех описанных выше частицах, особенностях взаимодействий между ними и, соответственно, постулатах Стандартной модели.

Изучать описанные выше элементарные частицы сложно - большинство из них либо слабо взаимодействуют с привычной нам материей (например, нейтрино, которые участвуют только в слабом и сильном взаимодействиях), либо не встречаются в свободном виде (кварки), либо живут крошечные доли секунды. Для того чтобы все-таки получить информацию о неуловимых частицах, физики строят гигантские коллайдеры. Внутри этих приборов (если можно назвать прибором нечто протяженностью 27 километров) ученые разгоняют пучки "простых" элементарных частиц, вроде протонов или антипротонов, до околосветовых скоростей и сталкивают противонаправленные пучки друг с другом.

Когда две частицы сшибаются на огромной скорости, они теряют свою внутреннюю структуру - вместо двух отдельных образований остается некое подобие раскаленного "супа" из кварковых и глюонных полей. Спустя чрезвычайно короткий промежуток времени (около 10-24 секунды) из "супа" вновь выделяются отдельные компоненты, которые спустя еще долю мгновения формируют новые частицы. Они разлетаются в разные стороны от места рождения, и, так как многие из них короткоживущие, спустя доли мгновения они превращаются в другие частицы. Некоторые из образовавшихся частиц долетают до детекторов - специальных устройств, которые ловят частицы и регистрируют различные характеристики их движения.

Физики изучают данные о скорости и направлении движения пойманных частиц и на основании этих сведений пытаются восстановить, какая цепочка превращений привела к их рождению. Так как интересные ученым частицы образуются относительно редко, эксперименты на коллайдерах длятся месяцами - на компьютеры исследовательских центров круглосуточно поступают данные от детекторов, и физики кропотливо перелопачивают все эти терабайты информации в поисках нужных событий. И иногда их труд дает плоды.

Физика новая и старая
Первый набор интересных результатов, представленных в последние дни, пришел с американского коллайдера Тэватрон, работу которого курирует Национальная ускорительная лаборатория имени Энрико Ферми (Фермилаб). Физики, анализирующие данные, которые собирает детектор Тэватрона под названием CDF, сообщили, что им, возможно, удалось обнаружить признаки образования новой частицы - нейтрального кси-b-бариона. Существование этой частицы постулируется в рамках Стандартной модели, но экспериментальных подтверждений у физиков до сих пор не было. В общей сложности специалисты зарегистрировали 25 случаев возможного рождения нового бариона – а всего ученые проанализировали результаты примерно 500 триллионов столкновений протонов и антипротонов.

Еще один намек на рождение новой частицы увидели исследователи, работающие на Большом адронном коллайдере - самом крупном ускорителе элементарных частиц на планете. Одной из основных целей, ради которой был создан этот колоссальный прибор, является поимка бозона Хиггса - предсказанной в рамках Стандартной модели частицы, которая определяет наличие массы у всех других частиц.

Электронвольт и различные производные этой единицы часто используются для определения массы элементарных частиц. Один электронвольт соответствует энергии, которая требуется для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 вольт.
Ученые, доложившие о своих результатах в ходе европейской конференции по физике высоких энергий (Europhysics Conference on High Energy Physics), анализировали, какие частицы попадают на детекторы БАК ATLAS и CMS. Специалисты обнаружили избыток частиц, масса которых располагается в пределах от 130 до 150 гигаэлектронвольт. Многие эксперты полагают, что масса бозона Хиггса может находиться именно в этом интервале. Появление "подозрительных" частиц связано с рождением и распадом пар W-бозонов - считается, что W-бозоны могут образовываться при распаде бозона Хиггса.

Наконец, третью интересную новость вновь принес Тэватрон. В результате анализа данных наблюдений детектора D0 за восемь лет ученые обнаружили заметную асимметрию в рождении топ (t) кварков и антикварков при столкновении пучков протонов и антипротонов. Теоретически, топ-кварки должны приблизительно с равной частотой вылетать как в направлении летящих протонов, так и в направлении антипротонов. Однако специалисты обнаружили, что рождающиеся топ-кварки чаще вылетают в направлении протонов. Пока ученые не могут однозначно объяснить, с чем связан такой "перекос".

Интересно, что на БАК подобной асимметрии не наблюдается - совсем недавно физики с европейского ускорителя представили результаты статистической обработки накопленных данных и заявили, что им не удалось найти признаков того, что кварки чаще выбирают одно направление вылета, а не другое. И, тем не менее, именно результаты коллаборации D0 выглядят наиболее убедительными - хотя они, как и все описанные выше факты, требуют очень тщательной дополнительной проверки. Доктор физико-математических наук, заместитель руководителя отдела теоретической физики Петербургского института ядерной физики РАН Дмитрий Дьяконов полагает, что если наблюдение детектора D0 подтвердится, то этот факт станет важным открытием.

А вот работа, авторы которой сообщили о возможном обнаружении бозона Хиггса, по мнению Дьяконова, не очень убедительна. "Сигнал вялый и спокойно может ‘помереть’", - отметил физик. Вообще, ученый считает, что от "классических" представлений о бозоне Хиггса, возможно, придется отказаться. "В научном сообществе наблюдается некоторое разочарование, и назревает чувство, что Стандартная модель в своем примитивном, хиггсовском воплощении нас обманула и что истина несколько сложнее", - полагает Дьяконов и добавляет, что "практически во всех более сложных конструкциях бозон Хиггса либо отсутствует, либо представляет собой сложный составной объект, и/или имеет другие свойства. По мере ненаблюдения "хиггса" на БАК и Тэватроне такие конструкции обсуждают все живее".

Но каков бы ни оказался окончательный вердикт физиков относительно новых результатов, все они неизбежно способствуют развитию представлений ученых об устройстве Вселенной. А именно этот итог является истинно ценным для научных исследований - а вовсе не обнаружение или не обнаружение какой бы то ни было загадочной частицы.
 

VicRus

Administrator
#2
.
Один из создателей кремниевой сферы, содержащей строго определенное количество атомов, работы которого позволили уточнить число Авогадро.

Фото CSIRO


Физики уточнили значение фундаментальных констант


Эксперты представили обновленный список значений фундаментальных физических констант - в том числе, числа Авогадро и постоянной Планка. Об этом пишет портал Nature News.
Фундаментальными физическими константами называют постоянные, которые входят в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы. Каждые четыре года группа специалистов Комитета по сбору данных в области науки и техники (CODATA), созданного в 1966 году, публикует список значений этих констант, исправленных на основании результатов недавних экспериментов.

Абсолютно точно определить значения всех этих постоянных нельзя, но физики стремятся уменьшить неопределенность этих параметров. Это можно сделать по мере появления новых более чувствительных способов измерения.

В новом списке значений констант, в частности, была снижена неопределенность постоянной тонкой структуры, которую обозначают греческой буквой "альфа". Эта постоянная характеризует силу электромагнитного взаимодействия. Кроме того, физики уточнили значение постоянной Планка, которая фигурирует во всех уравнениях квантовой механики и, в частности, определяет "порог", начиная с которого "включается" принцип неопределенности Гейзенберга.

Еще одной уточненной константой стало число Авогадро, определяющее, сколько атомов содержится в одном моле любого вещества. Подробнее о том, как исследователи сужали границы неопределенности для числа Авогадро, и каким образом оно связано с появлением нового эталона массы, можно прочитать здесь.
 

VicRus

Administrator
#3
.


Астрономы прояснили образование ядра Млечного Пути


Астрономы подтвердили, что ядро Млечного Пути сформировалось в результате слияния шаровых скоплений. Статья ученых пока не принята к публикации, ее препринт доступен на сайте arXiv.org.

Согласно современным представлениям, плотная популяция звезд в центре Млечного Пути могла стать следствием двух возможных сценариев развития галактики. В одном случае звезды сформировались в этом регионе благодаря резкому притоку межзвездного газа и пыли, а в другом - в результате слияния уже существующих скоплений. Первый сценарий, по мнению некоторых исследователей, маловероятен, так как требует возникновения нереальных с точки зрения физики условий.

В основу своей модели ученые положили численное решение задачи N тел - системы дифференциальных уравнений, описывающей движение N точечных объектов под воздействием создаваемых ими гравитационных полей. В результате ученым удалось установить, что слияния шаровых скоплений способны обеспечить достаточную скорость формирования ядра. Отличительной особенностью новой модели является тот факт, что в расчетах учитывалась сверхмассивная черная дыра, располагающаяся в центре Млечного Пути.

По признанию самих исследователей, их работа является всего лишь небольшим шагом на пути понимания процессов формирования галактик. Так, по мнению исследователей, их модель необходимо проверить на более мощном, чем они использовали, суперкомпьютере. Это поможет промоделировать процесс формирования ядра в течение достаточно длинного промежутка времени.
 

VicRus

Administrator
#4
.


Формирование планеты засекли в реальном времени


Ученые обнаружили свидетельства формирования новой планеты, происходящего практически в режиме реального времени. Две статьи исследователей с описанием новых данных опубликованы в журнале Astronomy and Astrophysics, а коротко они представлены в пресс-релизе Европейской южной обсерватории (ESO).
Планеты образуются вокруг светил из газопылевого диска, который остается после формирования самой звезды. Под воздействием гравитации материал диска "слипается" в комок, который постепенно увеличивается в размерах. Нарождающиеся планеты обращаются вокруг звезды, собирая на себя остатки пыли и газа. Таким образом в диске вокруг светила образуются кольцевые "проплешины".

Эта стадия эволюции планетных систем длится очень недолго (по астрономическим меркам), поэтому засечь ее непросто. Авторы новой работы анализировали данные, полученные на интерферометре массива телескопов VLT (Very Large Telescope - Очень Большой Телескоп) в Чили. Ученые наблюдали звезду Т Хамелеона, удаленную от Земли на расстояние 350 световых лет. Это очень молодое светило - по оценкам специалистов, его возраст составляет около семи миллионов лет (для сравнения, Солнцу сейчас больше 4,5 миллиарда лет).

Исследователи обнаружили вокруг Т Хамелеона газопылевой диск - его внутренний край удален от звезды примерно на 20 миллионов километров. На расстоянии одного миллиарда километров от светила в диске находится кольцевидная "проплешина", которая, с высокой вероятностью, была оставлена формирующейся планетой или же коричневым карликом (этим термином называют объекты, масса которых больше массы планет-гигантов, слишком мала для запуска реакций термоядерного синтеза, характерных для звезд). Определить, какой именно объект обращается вокруг Т Хамелеона, ученые пока не могут - современная техника пока не позволяет видеть все планеты непосредственно. Хотя несколько раз специалистам удавалось это сделать. Кроме того, астрономы даже смогли напрямую получить спектр внесолнечной планеты.

Совсем недавно другой коллектив исследователей сфотографировал двух "двойников" Солнечной системы - планетных систем, которые находятся на ранних этапах развития.
 

VicRus

Administrator
#5
.
"Хаббл" помог впервые увидеть аккреционный диск квазара



Астрономы впервые увидели аккреционный диск квазара - активного галактического ядра со сверхмассивной черной дырой в центре. Статья ученых появится в Astrophysical Journal, а ее краткое изложение приводится на сайте телескопа. Препринт статьи доступен на сайте arXiv.org.

Аккреционным диском называется скопление материи вокруг черной дыры под воздействием ее гравитации. Несмотря на то, что их диаметр может составлять несколько световых лет, удаленность таких дыр от Земли (они обычно располагаются в центре галактик) делает наблюдение диска почти невозможным. По словам одного из исследователей, Хосе Муньоса, размер дисков "настолько мал, что мы никогда не увидим его в телескоп непосредственно".

В рамках работы ученые наблюдали три разных квазара. Для одного из них - HE 1104-1805 - ученым удалось с помощью "Хаббла" получить довольно четкие фотографии объекта, в том числе и аккреционного диска вокруг него.Это стало возможным благодаря явлению микролинзирования - гравитационное поле массивного объекта (в данном случае это была галактика [WKK93] G) на линии между наблюдателем на Земле и квазаром искажает путь световых лучей и действует как линза. При этом изображение может представляться деформированным или даже (как в случае HE 1104-1805) разделяться на несколько.

Как следствие, ученым удалось измерить размеры диска, а также определить температуру в разных его регионах. По словам исследователей, новые данные помогут в изучении структур данных объектов. Муньос заявил: "Мы понимаем строение квазара довольно плохо. Новый метод позволяет получать данные наблюдений и открывает новые возможности для понимания природы этих объектов."

Известно, что черная дыра - это массивное тело, гравитационное поле которого настолько сильно, что даже свет не способен его покинуть (отсюда и название - черная). Квазары, в свою очередь, окружены аккреционным диском, материя которого постепенно падает на черную дыру. Это довольно агрессивный процесс, который сопровождается выделением большого количества энергии. Как следствие, окрестность дыры становится видимой.
...