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

Цифровое бессмертие Цифровое бессмертие

Sensorium Galaxy – VR-платформа, которая способна преобразить нашу жизнь

Популярная механика
Исправленному верить? Исправленному верить?

Выясняем, когда погоня за идеалом превращается в дисморфию

Harper's Bazaar
Гонка за орбитальный кинематограф Гонка за орбитальный кинематограф

Зачем снимать кино в космосе, если есть компьютерная графика?

Популярная механика
Как на нас влияет одиночество: болезни и причины Как на нас влияет одиночество: болезни и причины

Длительная изоляция может определенным образом влиять на нас.

Популярная механика
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Российские археологи раскопали под Калининградом средневековое прусское поселение Российские археологи раскопали под Калининградом средневековое прусское поселение

Ученые подтвердили, что местные жители контактировали с населением Древней Руси

N+1
Восток и его обитатели Восток и его обитатели

В озере Восток под ледовым щитом Антарктиды есть жизнь

Популярная механика
Хочу учиться до 100 лет Хочу учиться до 100 лет

Герои статьи вновь оказались в статусе студентов, когда им было больше 60 лет

Лиза
Гора серебряная Гора серебряная

Как добывают благородные металлы

Популярная механика
Опережая время. Погоня за Le Train Bleu Опережая время. Погоня за Le Train Bleu

В первой половине ХХ века инженер Уолтер Оуэн Бентли преследовал свою мечту

Esquire
Лишённые отчизны Лишённые отчизны

Как происходило принудительное переселение народов Кавказа из родных мест

Дилетант
Фассбиндер, Берлин, прощание с прошлым: что такое новое немецкое кино Фассбиндер, Берлин, прощание с прошлым: что такое новое немецкое кино

Что нужно знать о новом немецком кино и какие картины посмотреть?

РБК
Жить хорошо стоиком или буддистом: какая модель философии подходит лично вам Жить хорошо стоиком или буддистом: какая модель философии подходит лично вам

Глава из книги «Жить хорошо» о стоицизме

Forbes
ЗОЖ вам! ЗОЖ вам!

То, что здоровая еда нужна и интересна только женщинам, – это стереотип

Домашний Очаг
Со дна памяти Со дна памяти

В 1918 году ледокольный пароход «Вайгач» сел на скалу в Енисейском заливе

Вокруг света
Здесь будет город-форт Здесь будет город-форт

Ксения Шойгу решила не ходить в декретный отпуск, чтобы закончить стройку века

Собака.ru
Проверь себя (или того, кто рядом): 7 признаков настоящего психопата Проверь себя (или того, кто рядом): 7 признаков настоящего психопата

Как определить психопата или социопата?

Cosmopolitan
«Наука и жизнь» № 11, 1982 г. Ещё не кровь, но уже не водица «Наука и жизнь» № 11, 1982 г. Ещё не кровь, но уже не водица

Летом 1982 года проходил в столице Первый Всесоюзный биофизический съезд

Наука и жизнь
Как быстро найти хорошую работу: способы и этапы Как быстро найти хорошую работу: способы и этапы

Как найти хорошую работу, какие надо пройти этапы и какие способы вам подойдут

Forbes
Для волос, ногтей, кожи и не только: почему на самом деле стоит пить коллаген Для волос, ногтей, кожи и не только: почему на самом деле стоит пить коллаген

Зачем нужно пить коллаген и как он влияет на наш организм?

Cosmopolitan
Музыкальная революция на Уолл-стрит: в 90-х Дэвид Боуи выпустил облигации, основал провайдера и  открыл виртуальный банк Музыкальная революция на Уолл-стрит: в 90-х Дэвид Боуи выпустил облигации, основал провайдера и  открыл виртуальный банк

Боуи был одним из первых, кто осознал важность продвижения музыки через интернет

VC.RU
Отрывок из книги «Зверобой» Ксении Буржской Отрывок из книги «Зверобой» Ксении Буржской

Одна из глав новой книги Ксении Буржской «Зверобой»

СНОБ
Красота не панацея: супермодели, которым изменяли любимые мужчины Красота не панацея: супермодели, которым изменяли любимые мужчины

Изменяют всем: богатым, успешным, хозяйственным, добрым девушкам

Cosmopolitan
Наука невозможного: как добыть энергию из черных дыр Наука невозможного: как добыть энергию из черных дыр

Возможно ли добыть энергию, забросив фотонные ковши к горизонту событий

Популярная механика
Как глобальное потепление изменяет свойства алкоголя и его потребление Как глобальное потепление изменяет свойства алкоголя и его потребление

Изменение климата лишает нас коньяка, делает вино крепче, а пиво — дороже

СНОБ
«Ни хрена не сбывается»: куда идти работать в новом году «Ни хрена не сбывается»: куда идти работать в новом году

В каких отраслях можно построить карьеру, а в каких работников заменят алгоритмы

Forbes
«Сбер» обошел Ferrari в рейтинге самых сильных брендов Европы «Сбер» обошел Ferrari в рейтинге самых сильных брендов Европы

«Сбер» занял первое место в рейтинге самых сильных брендов Европы

Inc.
Притяжение кварка и антикварка ослабло в сильном магнитном поле Притяжение кварка и антикварка ослабло в сильном магнитном поле

Натяжение струны между кварком и антикварком уменьшается при магнитном поле

N+1
Как защитить своих детей от травм во время зимних развлечений: советы для родителей Как защитить своих детей от травм во время зимних развлечений: советы для родителей

Какие меры безопасности нужно соблюдать зимой во время активной прогулки?

Популярная механика
Чтение выходного дня: «Любимое уравнение профессора» Ёко Огавы — добрый роман о бескорыстной дружбе и о том, какую роль в нашей жизни играет память Чтение выходного дня: «Любимое уравнение профессора» Ёко Огавы — добрый роман о бескорыстной дружбе и о том, какую роль в нашей жизни играет память

Отрывок из прекрасной истории о роли памяти в нашей жизни от Ёко Огавы

Esquire
Открыть в приложении