Самые важные события прошедшего года в физических и астрономических областях

Наука и жизньНаука

Девять значимых событий 2021 года в физике и астрономии

Материал подготовил кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Эксперимент «Muon g − 2». В центре детекторного зала — сверхпроводящее магнитное накопительное кольцо. Фото: Reidar Hahn/Fermilab/CC BY-SA 4.0

1Мюоны атакуют стандартную модель

Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми (США) сообщила, что, по данным эксперимента «Muon g − 2», магнитный момент мюона всё же больше, чем предсказывает современная теория микромира — Стандартная модель. Она была разработана в 1970-х годах и с тех пор прошла все проверки, сохранившись до наших дней практически без изменений. Но исследователи на протяжении полувека не оставляют попыток найти отклонения от неё, так называемую Новую физику. Если результат мюонного эксперимента подтвердится, то это может стать долгожданным свидетельством существования Новой физики. Возможно, работы в этом направлении приведут не только к уточнению теории, но и открытию новых фундаментальных частиц.

Целый ряд элементарных частиц имеет собственное магнитное поле, которое характеризуется величиной, получившей название «магнитный момент». Так, электрон и его более тяжёлый родственник мюон должны иметь магнитный момент, точно равный 2 (в соответствующих единицах измерения). Первые признаки того, что с магнитным моментом мюона что-то не так, исследователи получили в экспериментах по его измерению в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) в 1997-2001 годах. Выявленное крошечное отличие от двух оказалось немного больше, чем предсказывали расчёты по Стандартной модели — теории элементарных частиц. Физики назвали обнаруженное явление мюонной магнитной аномалией. Хотя точность измерения была недостаточно высока, чтобы с уверенностью говорить о реальности расхождения, она была достаточно большой, чтобы вызвать сенсацию и дискуссию среди специалистов.

Дело в том, что, согласно современной квантовой физике, мюоны постоянно испускают и поглощают различные виртуальные частицы, которыми так и кишит физический вакуум вокруг них. Теория предсказывает, что это должно изменять магнитный момент мюона, делая его отличным от 2. Этот эффект, названный «g − 2» (g минус два), должен наиболее ярко проявляться именно у мюонов, которые примерно в 200 раз массивнее электронов. Теоретическое значение g − 2 было получено в результате точного вычисления вкладов всех известных частиц. Поэтому в значительном отличии эксперимента от предсказаний теории могут быть виноваты неучтённые неизвестные типы частиц. Так что эксперимент с мюоном вселил многим физикам надежду на то, что вскоре будут открыты новые фундаментальные частицы.

Чтобы проверить результаты, экспериментаторы в 2013 году перевезли оборудование через полстраны в Национальную ускорительную лабораторию Ферми (Fermilab, США), где можно получить более чистые пучки мюонов, и модернизировали установку. В новом эксперименте пучок мюонов движется по кольцу диаметром 15 метров, удерживаемый полем мощного магнита. Одновременно это магнитное поле заставляет магнитный момент мюонов (грубо говоря, направление «север-юг» магнита) прецессировать, поворачиваться, описывая конус, подобно оси волчка или юлы. Скорость прецессии зависит от магнитного момента частиц. Измерив её с очень большой точностью, исследователи вычисляют магнитный момент мюонов.

Очередной сбор данных был начат в 2018 году, и 7 апреля 2021 года исследователи представили результаты первого года работы, опубликовав их в журнале «Physical Review Letters». Новый результат почти полностью совпал со старым, расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями не исчезли. Хотя за 15 лет методы теоретических расчётов эволюционировали и их точность сильно возросла. Отметим, что исследователи измерили g − 2 с точностью до 46 миллионных долей процента. Значит, это не было ни статистической случайностью, ни продуктом какой-то необнаруженной ошибки в эксперименте.

Любопытны и меры предосторожности, предпринятые исследователями, чтобы избежать подсознательной подгонки результатов. Те, кто проводил анализ, не знали точной частоты цифровых часов в приборах, которая необходима для расчёта значения g − 2. В итоге результаты были изображены на графике, оси которого имели несколько неопределённые масштабы. Точное значение частоты было известно только двум физикам, не являющимся членами коллаборации. Только 25 февраля 2021 года на телеконференции, в которой участвовало более 200 членов команды, два соруководителя эксперимента открыли конверт, содержащий секретную тактовую частоту. Когда они ввели число в компьютер, тот показал истинное значение g − 2.

Однако сомнения остаются. Вместе новые и старые результаты увеличили отклонение экспериментального значения от теоретического лишь до 4,2σ. Сигмой (σ) в статистическом анализе обозначают стандартное отклонение. Опуская детали, скажем, что с помощью стандартного отклонения можно оценить достоверность полученного результата. Отличие в интервале от 3σ до 5σ даёт основания предполагать реальность нового явления. Однако в своих выводах экспериментаторам необходимо быть осторожными, поскольку история знает немало случаев, когда открытия с подобными отличиями в итоге не подтверждались. Многолетний опыт исследований показал, что уверенно говорить об открытии можно, только когда результаты отличаются более чем на 5σ.

Россию в коллаборации «Muon g − 2», занимавшейся этими исследованиями, представляют Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера (г. Новосибирск) и Объединённый институт ядерных исследований (г. Дубна).

2Физики квантово запутали макрообъекты

Когда произносят слово «квантовый», все, как правило, представляют какие-нибудь очень маленькие, микроскопические объекты вроде атомов, электронов или фотонов. Именно они в первую очередь демонстрируют поведение и эффекты, которые описывает квантовая механика. Однако макроскопические объекты, состоящие из большого числа атомов, тоже могут проявлять квантовые свойства. Правда, условия для этого создать трудно, и лишь точные и изобретательные эксперименты могут их обнаружить. Но зачем, спрашивается, надо это делать? Оказывается, у этих исследований есть важная практическая сторона: создание очень чувствительных и точных сенсоров или сверхбыстрых устройств для вычислений, преобразования информации и коммуникаций.

коммуникаций. В этом году исследователям из Национального института стандартов и технологий (NIST, США) удалось экспериментально изучить квантовые явления в макроскопических механических системах. Они показали, как можно сгенерировать в них квантовое запутанное состояние и экспериментально доказать его наличие. Результаты работы были опубликованы в журнале «Science».

В качестве объекта исследований физики использовали две сверхпроводящие алюминиевые пластины, которые служат одной из пластин конденсатора. Те включены в электрическую цепь, изменение напряжения в которой приводит к фиксируемым с помощью радиолокации механическим колебаниям мембран. Экспериментаторы использовали микроволновые импульсы для возбуждения системы и затем измеряли связь (корреляцию) колебаний мембран. Суть дела в том, что тонкие статистические взаимосвязи между их движениями оказались невозможными для классического мира и могли возникнуть только за счёт квантовой запутанности.

Идея подобного эксперимента не нова, она возникла в NIST около десяти лет назад, но тогда механическими элементами были отдельные атомы. Мембраны же огромны, по квантовым меркам. Их размер 20 × 14 микрометров, толщина 100 нанометров и масса 70 пикограмм, что соответствует примерно 1 триллиону атомов. Запутывать массивные объекты крайне сложно, потому что они сильно взаимодействуют с окружающей средой, в результате чего могут разрушаться хрупкие квантовые состояния.

Крошечные алюминиевые мембраны, которые удалось квантово запутать и точно измерить их связанные квантовые свойства. Фото: John Teufel /NIST

Исследователи применили два одновременных микроволновых импульса для охлаждения мембран (отбора энергии с целью уменьшения теплового шума), ещё два — для их запутывания и последние два — для усиления и записи сигналов, представляющих квантовые состояния пластин. Решение этой задачи потребовало тщательного подбора частоты и длительности импульсов.

Кванты колебаний мембран эквивалентны квазичастицам, так называемым фононам. Вот для них и была выявлена квантовая запутанность, которую удавалось поддерживать в течение примерно миллисекунды, что весьма долгое время в квантовом мире.

В классическом мире колебания мембран в рассматриваемых условиях должны были быть случайными. Однако эксперимент выявил необычные закономерности, свидетельствующие о том, что они запутались. Чтобы быть уверенными, исследователи провели эксперимент 10 тысяч раз, применяя специальные тесты.

3Новые вехи в развитии термоядерного синтеза

В эксперименте по инерциальному термоядерному синтезу, который проходит в Национальном комплексе зажигания (National Ignition Facility, NIF), входящем в состав Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США), удалось получить 70% выхода от термоядерной реакции по отношению к энергии, затраченной на поддержание реакции. Несмотря на то, что это значение всё ещё не достигло уровня безубыточности (100%), оно более чем на порядок превысило предыдущие результаты, и некоторые эксперты оценили данный результат как наиболее значительный прогресс в инерциальном синтезе с момента его начала в 1972 году.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Кунсткамера Кунсткамера

Самый маленький парк, непокоренные горные вершины и «Мост в Никуда»

Наука и жизнь
Автоподставы на дороге. 9 ситуаций, в которые легко попасть каждому Автоподставы на дороге. 9 ситуаций, в которые легко попасть каждому

«Дымящийся» автомобиль, булыжники на дороге и другие способы обмана водителей

РБК
Создано в России Создано в России

Загрязнение Мирового океана, новые водоросли Байкала и прибор для анализа газов

Знание – сила
Система ABS: что это такое и как работает? Система ABS: что это такое и как работает?

Что такое ABS, из чего он состоит, как работает антиблокировочная система?

РБК
Мария Куликова: «Моя жизнь перевернулась в одно мгновение» Мария Куликова: «Моя жизнь перевернулась в одно мгновение»

Пожалуйста, дайте мне какую-нибудь дрянь сыграть!

Коллекция. Караван историй
6 проблем со здоровьем, из-за которых шелушится кожа на лице 6 проблем со здоровьем, из-за которых шелушится кожа на лице

Каждый сталкивался с сухостью и шелушением кожи на лице, что с этим делать?

Лиза
Умные игрушки Умные игрушки

Что помогает развить детский интеллект?

Здоровье
Гарри Поттер, далматинцы и Мэри Поппинс: 12 лучших фильмов для семейного просмотра Гарри Поттер, далматинцы и Мэри Поппинс: 12 лучших фильмов для семейного просмотра

Самые добрые и вдохновляющие фильмы для всей семьи

Forbes
Байки из склепов: как устроен египетский Город мертвых в Каире Байки из склепов: как устроен египетский Город мертвых в Каире

Эль-Карафа — кладбище, которое стало настоящим домом для живых жителей

Forbes
Антропологи разобрались в одомашнивании овец и коз в Ашиклы-Хююке Антропологи разобрались в одомашнивании овец и коз в Ашиклы-Хююке

Как население Ашиклы-Хююк одомашнивало овец и коз?

N+1
Обыкновенные шакалы колонизировали Эстонию меньше чем за десять лет Обыкновенные шакалы колонизировали Эстонию меньше чем за десять лет

В последние десятилетия обыкновенные шакалы быстро расселяются по Европе

N+1
Слишком сильные для депрессии Слишком сильные для депрессии

По статистике, мужчины в 2 раза реже страдают от депрессии, чем женщины

Домашний Очаг
Эскортница, ставшая политиком: как Марта Ришар изменила жизнь всей Франции Эскортница, ставшая политиком: как Марта Ришар изменила жизнь всей Франции

До самой смерти Марте Ришар припоминали ее прошлое

Cosmopolitan
Генеральная уборка: как избавиться от ненужных вещей дома Генеральная уборка: как избавиться от ненужных вещей дома

Памятка, которая поможет избавиться от всего ненужного

Esquire
Как славянская мифология покорила весь киномир Как славянская мифология покорила весь киномир

Как нечисть отечественного производства составила конкуренцию гламурным вампирам

СНОБ
Не путай с черными точками: что такое сальные нити и почему их нельзя трогать Не путай с черными точками: что такое сальные нити и почему их нельзя трогать

С проблемой забитых пор, пожалуй, встречалась каждая из нас!

Cosmopolitan
Польза и удовольствие: за что мы любим чернослив Польза и удовольствие: за что мы любим чернослив

Чернослив помогает нормализовать пищеварение и укрепляет кости

РБК
Бывший глава Twitter рассказал о совете, который получил от Джеффа Безоса. Он пользуется им больше 10 лет Бывший глава Twitter рассказал о совете, который получил от Джеффа Безоса. Он пользуется им больше 10 лет

Совет от Джеффа Безоса: важно доверять своей интуиции

Inc.
Тепло ли тебе, девица? Тепло ли тебе, девица?

Минималистичная квартира, “согретая” живыми материалами

AD
ТОП-5 ошибок в ремонте кухни, из-за которых ты переплатишь дважды ТОП-5 ошибок в ремонте кухни, из-за которых ты переплатишь дважды

Разбираемся в том, какие ошибки чаще всего встречаются при ремонте кухни

Лиза
Правила жизни Джона Рональда Руэла Толкина Правила жизни Джона Рональда Руэла Толкина

Толкин: "Гоблины — не злодеи, у них просто высокий уровень коррупции"

Esquire
Что же будет дальше? Что же будет дальше?

Сказки заканчиваются свадьбой, в жизни же после нее начинается самое интересное

Cosmopolitan
31 способ увеличить ресурс сердечной мышцы с помощью последних научных открытий и новых подходов 31 способ увеличить ресурс сердечной мышцы с помощью последних научных открытий и новых подходов

“Главное, ребята, сердцем не стареть”. Как это сделать, знают наши эксперты

Men’s Health
«Мне, как мужчинам, — водки»: почему не сложились браки Екатерины Фурцевой «Мне, как мужчинам, — водки»: почему не сложились браки Екатерины Фурцевой

Почему не складывалась личная жизнь Екатерины Фурцевой

Cosmopolitan
Как исправить неудачный Новый год и что делать с плохим настроением Как исправить неудачный Новый год и что делать с плохим настроением

Если понадобится преодолеть тоску и вернуть себе хорошее настроение

РБК
Прочь от реальности: топ-11 аудиокниг для каникул Прочь от реальности: топ-11 аудиокниг для каникул

11 аудиокниг — и ровно столько же необычайных миров

Популярная механика
«Эй, продюсер!» — как в России зарабатывают новоформатные лейблы независимых артистов «Эй, продюсер!» — как в России зарабатывают новоформатные лейблы независимых артистов

Как устроены новые музыкальные лейблы и на чем они зарабатывают

Inc.
Спецпроект «Родная речь» Спецпроект «Родная речь»

Распространенные слова, которые люди употребляют в неверном значении

Лиза
1230 мячей и 50 тысяч футболок: самые необычные футбольные коллекционеры 1230 мячей и 50 тысяч футболок: самые необычные футбольные коллекционеры

Когда фанатизм еще и отличное капиталловложение

Playboy
Кейт Миддлтон. Как стать королевой Кейт Миддлтон. Как стать королевой

Правила жизни современной Золушки – герцогини Кембриджской

Лиза
Открыть в приложении