Антиматерия, 120-ый элемент, пульсарный тайминг и загадка экзопланеты

Наука и жизньНаука

 Десять значимых событий 2023 года в физике и астрономии

Материал подготовил кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Установка детектора ALPHA-g в вертикальном положении. Источник: CERN

1Антиматерия и гравитация

Физики, работающие на установке ALPHA-g в ЦЕРН, экспериментально доказали, что земная гравитация действует на антивещество вниз, как и на обычную материю. Результат ожидаемый, но требовавший проверки, поскольку существует предположение, что антиматерия подвержена антигравитации, то есть для неё гравитация приводит к отталкиванию, а не притяжению. Античастицы обладают той же массой, что и их обычные двойники, но противоположными знаками электрического заряда и других характеристик взаимодействий. Так что в самой идее о противоположном направлении гравитационного взаимодействия ничего странного нет. В частности, её иногда используют для объяснения самых больших загадок современной космологии — преобладания вещества над антивеществом во Вселенной и наблюдаемого её расширения с ускорением, для чего обычно предполагают существование гипотетической тёмной энергии.

Например, в 2012 году космологи из французского Национального центра научных исследований (CNRS) выдвинули гипотезу, что Вселенная содержит равное количество материи и антиматерии, но под действием противоположных сил они разделяются. Вещество «слипается», образуя галактики, а антивещество, наоборот, вытесняется из них, распределяясь тонким слоем между галактиками и действуя как тёмная энергия.

Влияние гравитации на свойства античастиц физики уже изучали, но вот простое падение антивещества благодаря земному тяготению ранее им наблюдать не удавалось. Исследователи достаточно давно могут получать отдельные античастицы, объединять их в атомы и накапливать эти атомы в магнитных ловушках, но для проведения нужных измерений им не хватало чувствительности оборудования. Теперь же эту проблему решили в эксперименте ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus, Аппарат для антиводородной лазерной физики), в котором наблюдали за простейшими атомами антивещества — антиводородом.

В новом эксперименте «трубу» установки ALPHA разместили вертикально. В магнитной ловушке накопили атомы антиводорода, а затем позволили им свободно падать. Перемещение атомов антивещества отслеживали по аннигиляционным вспышкам на стенках установки. Несмотря на кажущуюся простоту описания, эксперимент очень сложный, потребовавший, в том числе, учёта большого числа факторов, например влияния магнитов — их действие создаёт силу, сопоставимую с гравитационной.

2На пути к 120-му элементу

Ускоритель ДЦ-280 Фабрики сверхтяжёлых элементов. Источник: ОИЯИ

В октябре 2023 года на Фабрике сверхтяжёлых элементов в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ (г. Дубна, Россия) исследователи впервые успешно синтезировали сверхтяжёлый элемент с помощью снаряда-ядра тяжелее 48Ca. В результате бомбардировки ядрами хрома 54Cr мишени из урана 238U они получили ранее неизвестный изотоп ливермория 288Lv (116-го элемента Периодической таблицы Менделеева) со временем жизни чуть менее одной миллисекунды. Уникальный атом не был непосредственной целью эксперимента и стал приятной неожиданностью.

Задачей же эксперимента была подготовка к синтезу ещё неоткрытого 120-го элемента, который носит временное название унбинилий (Ubn). Дело в том, что сверхтяжёлые элементы от 114-го — флеровия до 118-го — оганесона были синтезированы в реакциях с пучком 48Ca, а самое тяжёлое вещество, которое можно наработать в количестве, достаточном, чтобы сделать мишень, — калифорний. Слияние ядер кальция (20-й элемент) и калифорния (98-й элемент) как раз и образует 118-й элемент — последний из синтезированных на сегодняшний день. Чтобы получить сверхтяжёлые элементы с большим атомным номером, надо использовать ядра не кальция, а элементов с большим количеством протонов. Так, для получения 120-го элемента предлагается реакция хрома 54Cr (24-й элемент) с мишенью из кюрия (96-й элемент). Исследованием этого ядра-снаряда и занят ОИЯИ. Полученный результат позволяет надеяться на успешное использование ядра 54Cr для синтеза 120-го элемента, приступить к которому ОИЯИ планирует в 2025 году. После этого, видимо, будет сделана попытка синтезировать также ещё не открытый 119-й элемент, бомбардируя америций (95-й элемент).

3Рентгеновская подпись атома

Команда физиков из нескольких американских лабораторий под руководством профессора Со Вай Хла (Saw Wai Hla, Университет Огайо) разработала метод, использующий синхротронное рентгеновское излучение для исследования отдельного атома в веществе. В качестве объекта изучения были выбраны атомы железа и тербия.

Рентгеновские лучи (X-rays) освещают атом железа (Fe) и возбуждают электроны, которые туннелируют к игле детектора (Tip). Источник: Ohio University (www.ohio.edu)

Высокая проникающая способность рентгеновского излучения давно нашла широкое применение для исследования внутренней структуры объектов в науке, медицине, материаловедении и даже при досмотре в аэропортах. Однако для использования традиционных методов необходимо достаточно большое количество атомов, не менее 10 000. Получить характеристики отдельного атома в веществе до сих пор не удавалось. Для решения этой задачи авторы работы сделали своеобразный гибрид рентгеновского спектроскопа и сканирующего туннельного микроскопа, назвав новый метод синхротронной рентгеновской сканирующей туннельной микроскопией (SX-STM).

Работа сканирующих туннельных микроскопов основана на том, что очень тонкий кончик зонда-иглы располагается крайне близко над исследуемой поверхностью и между ними создаётся большая разность потенциалов. Электроны с внешних оболочек атомов поверхности могут при этом «перепрыгнуть» на иглу благодаря туннельному эффекту, в результате возникает так называемый туннельный ток. Чем ближе игла к атомам поверхности, тем легче им даётся туннелирование, тем больше становится перепрыгнувших электронов. При перемещении иглы туннельный ток через неё зависит от рельефа поверхности. Метод позволяет различить даже отдельные «бугорки»-атомы, но их характеристик не даёт.

Исследователи одновременно с туннельным сканированием облучали образец рентгеновским излучением, которое проникало на нижние электронные оболочки, возбуждало близкие к ядру электроны и приводило к их туннелированию. В зависимости от состояния атома его электроны находятся на разных орбиталях, имеют разную энергию и соответственно поглощают фотоны разной длины волны. Регистрируя зависимость туннельного тока от частоты излучения, можно распознать не только сам атом, но и его химическое состояние — на каких орбиталях находились электроны. Для получения характеристик, например атома железа, кончик иглы должен был находиться непосредственно над атомом на расстоянии около 0,5 нанометра.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Дочь Ра Дочь Ра

Клеопатре суждено было стать последней царицей относительно независимого Египта

Дилетант
Одежда и надежды Одежда и надежды

Красивые книги о моде

Weekend
Каждая личинка — индивидуальность Каждая личинка — индивидуальность

Эти небольшие червячки красного цвета — объект пристального внимания биологов

Наука и жизнь
Доставка опережает Доставка опережает

Из-за чего этот труд курьеров перестает быть высокооплачиваемым

Ведомости
«Невидимка» Дуссе-Алинь «Невидимка» Дуссе-Алинь

Хабаровский край скрывает сохранившиеся в первозданном виде природные уголки

Наука и жизнь
Ложные вампиры обнялись и поделились друг с другом пищей Ложные вампиры обнялись и поделились друг с другом пищей

Социальное поведение ложныех вампиров оказалось неожиданно сложным

N+1
Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий

Какие же тайны и интересные особенности скрывает Меркурий?

Наука и жизнь
Что такое ИИ-агент, и чем он отличается от обычной нейросети? Что такое ИИ-агент, и чем он отличается от обычной нейросети?

ИИ-агенты сильно упростят нам жизнь — если, конечно, научатся корректно работать

CHIP
Четыре сыра Четыре сыра

Как сменить город на деревню и стать сыроваром

Вокруг света
Список уловок телефонных мошенников: разбираем самые частые способы обмана Список уловок телефонных мошенников: разбираем самые частые способы обмана

Список из самых распространенных атак телефонных мошенников

Maxim
Воздушный океан... Воздушный океан...

Мы все живём где-то на дне воздушного океана

Наука и жизнь
Стресс на работе: как распознать и что делать Стресс на работе: как распознать и что делать

Основные факторы возникновения стресса на работе и его влияние на организм

Inc.
Вода и камень Вода и камень

Грандиозные ирригационные сооружения прошлого, дошедшие до нашего времени

Вокруг света
В сосновом бору В сосновом бору

Настоящий гимн природе в интерьере загородного дома в пригороде Новосибирска

SALON-Interior
«Будущее как на ладони» «Будущее как на ладони»

«Эта вывеска привлекла мое внимание своей наглостью...» – рассказ Игоря Харичева

Знание – сила
Дэвид Хокни: большой всплеск Дэвид Хокни: большой всплеск

В 88 лет Дэвид Хокни сумел остаться актуальным в XXI веке

Монокль
Наш ответ ChatGPT: как российские стартапы делают бизнес на генеративном ИИ Наш ответ ChatGPT: как российские стартапы делают бизнес на генеративном ИИ

Что происходит на рынке генеративного ИИ в России и мире

Inc.
Не всякая поганка — гриб Не всякая поганка — гриб

Почему красивых и изящных водоплавающих птиц назвали поганками?

Наука и жизнь
Низкомолекулярный оральный агонист ГПП-1 помог снизить массу тела Низкомолекулярный оральный агонист ГПП-1 помог снизить массу тела

ГПП-1 помог снизить массу тела при ожирении без сахарного диабета

N+1
Каннибалы 5600 лет назад съели в Атапуэрке 11 человек Каннибалы 5600 лет назад съели в Атапуэрке 11 человек

Ученые проанализировали многочисленные человеческие кости из пещеры Эль-Мирадор

N+1
Минута славы Минута славы

Как снимать в путешествиях видео, которые станут популярными в соцсетях

Лиза
Сын Людмилы Касаткиной и Сергея Колосова: «В работе папа даже родную жену не щадил» Сын Людмилы Касаткиной и Сергея Колосова: «В работе папа даже родную жену не щадил»

Думаю, и встреча их тоже была предопределена

Коллекция. Караван историй
Разработаны методы генного редактирование смертельно опасных заболеваний мозга Разработаны методы генного редактирование смертельно опасных заболеваний мозга

Ученые успешно применили технологии генного редактирования для коррекции мутаций

ТехИнсайдер
Поп-культура Поп-культура

От биологии до поп-культуры: почему женские ягодицы стали фетишем?

Men Today
Убить Лумумбу Убить Лумумбу

Патрис Лумумба был одним из самых мужественных лидеров своего поколения

Знание – сила
Чтобы изучать Вселенную, надо выходить в космос Чтобы изучать Вселенную, надо выходить в космос

Институт астрономии РАН запустит УФ-обсерваторию и создаст лунную базу

Наука и жизнь
Возможно, у вас уже все есть: разбор гардероба в 4 простых правилах Возможно, у вас уже все есть: разбор гардероба в 4 простых правилах

Почему бы не заняться разбором гардероба прямо сейчас?

Правила жизни
Три самых популярных ошибки новичка в трейле Три самых популярных ошибки новичка в трейле

Как подготовиться к своему первому трейлу и какие ошибки важно не повторить

Maxim
Как закон регулирует ценообразование Как закон регулирует ценообразование

Ценообразование: что на самом деле ограничивает государство и кто за этим следит

Inc.
Как правильно зарядить телефон: простые правила, которые сберегут его аккумулятор Как правильно зарядить телефон: простые правила, которые сберегут его аккумулятор

Что влияет на срок службы аккумулятора и как правильно заряжать телефон

CHIP
Открыть в приложении