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

Обитатели пояса Койпера Обитатели пояса Койпера

Готовы отправиться в фантастическое космическое путешествие?

Наука и жизнь
Денис Филиппов: Больших проблем на рынке жилья я бы не прогнозировал Денис Филиппов: Больших проблем на рынке жилья я бы не прогнозировал

Гендиректор фонда Дом.РФ — какие арендные проекты поддерживает государство

Ведомости
Дочь Ра Дочь Ра

Клеопатре суждено было стать последней царицей относительно независимого Египта

Дилетант
Эффект рататуя Эффект рататуя

Как вкусы из детства могут формировать наш характер и модель поведения

Grazia
Каждая личинка — индивидуальность Каждая личинка — индивидуальность

Эти небольшие червячки красного цвета — объект пристального внимания биологов

Наука и жизнь
Всё в цвету Всё в цвету

Обсудили с экспертом, как защитить чувствительную кожу в сезон пыльцы

Лиза
Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий

Какие же тайны и интересные особенности скрывает Меркурий?

Наука и жизнь
Десять цветов Десять цветов

Самые древние и почитаемые традиционные ремесла – часть культурного кода Мьянмы

Вокруг света
Пыльцевые отпечатки истории Пыльцевые отпечатки истории

Палинологический анализ — мощный инструмент в руках реконструкторов

Наука и жизнь
Запечатанный воздух Запечатанный воздух

Японские семейные тайны Сахалина

Weekend
Политическое крещение Политическое крещение

Что побудило закоренелого язычника и развратника перейти в христианскую веру?

Дилетант
Право на смелость Право на смелость

Певица Люся Чеботина и психолог Анетта Орлова — о любви к себе и сепарации

Psychologies
Адмирал без танцев Адмирал без танцев

Как «отец народов» переписал биографию Нахимова

Дилетант
Новое исследование: мат улучшает спортивные результаты Новое исследование: мат улучшает спортивные результаты

Как «матюки» во время физических нагрузок помогают превзойти свои возможности

Maxim
«Цезарь идёт!» «Цезарь идёт!»

«Alea iacta est» — то ли сказал, то ли не сказал Цезарь, когда переходил Рубикон

Дилетант
50 самых высокооплачиваемых спортсменов в истории с учетом инфляции 50 самых высокооплачиваемых спортсменов в истории с учетом инфляции

Самые высокооплачиваемые и успешные спортсменов в истории

Forbes
Инвесторы ловят дно Инвесторы ловят дно

Инвесторы ищут возможность заработать на падающем рынке

Ведомости
Добавь изюминку Добавь изюминку

Как быстро и бюджетно преобразить дачный интерьер

Лиза
Экономисты описали выбор властей между «разумной достаточностью» и шоком Экономисты описали выбор властей между «разумной достаточностью» и шоком

Экономика оказалась между двумя сценариями поведения финансовых властей

Forbes
Платеж за доверие Платеж за доверие

Рынок платежных агентов все больше консолидируется вокруг банков

Ведомости
Какие были парфюмы в Древней Греции? Узнайте интересные факты! Какие были парфюмы в Древней Греции? Узнайте интересные факты!

Мир ароматов в Древней Греции был куда богаче, чем может показаться

ТехИнсайдер
Со льдом и безо льда Со льдом и безо льда

О достижениях Евгении Медведевой знают все. А чем она готова удивить в будущем?

VOICE
И хочется, и колется И хочется, и колется

Совпадает ли наше мнение о косметологии с реальностью? Развеиваем мифы

Grazia
Жить вместе, но порознь: почему пары не разводятся официально? Жить вместе, но порознь: почему пары не разводятся официально?

Какие причины заставляют людей сохранять брак на бумаге, но жить отдельно?

VOICE
«Ночные кошмары: Нарушения сна и как мы с ними живем наяву» «Ночные кошмары: Нарушения сна и как мы с ними живем наяву»

Что науке известно о галлюцинациях, связанных со сном

N+1
Бессвязные дороги Бессвязные дороги

Как обеспечить автодороги сотовой связью без переплат

Ведомости
Не Казань и даже не Сочи: 10 мест в России, куда мечтают поехать в отпуск россияне Не Казань и даже не Сочи: 10 мест в России, куда мечтают поехать в отпуск россияне

Лето не за горами: пора определяться с локацией для нового путешествия

Maxim
Реклама для женщин: как фемвертайзинг ломает стереотипы и увеличивает прибыль брендов Реклама для женщин: как фемвертайзинг ломает стереотипы и увеличивает прибыль брендов

Почему фемвертайзинг становится трендом

Forbes
Ольга Виниченко: «Беременность случилась тогда, когда я была к ней готова» Ольга Виниченко: «Беременность случилась тогда, когда я была к ней готова»

Ольга Виниченко: «Это были слезы радости и абсолютного удивления»

Караван историй
Исследование обнаружило связь между финансами и здоровьем Исследование обнаружило связь между финансами и здоровьем

Психологи выяснили, что удовлетворенность финансами связана с лучшим здоровьем

Inc.
Открыть в приложении