Рубрика «физика частиц»

Почему так важно точно измерить вращение крохотной частицы - 1

Научные открытия бывают разными – неожиданное открытие радиоактивности или долгие поиски предсказанного бозона Хиггса. Но некоторые открытия получаются смешанными, когда некоторые намёки в данных указывают на будущие измерения, которые могут длиться годами. Сейчас как раз происходит научное исследование последнего типа, которое может вызвать большой резонанс в физике.

В феврале 2018 коллаборация из 190 учёных, работающих в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе начала использовать кольцевой массив магнитов диаметром 15 м чтобы провести одно из самых точных измерений за всю историю. В этом исследовании, названном "эксперимент джи минус 2" (g-2) учёные измерят аномальный магнитный момент редкой субатомной частицы, мюона, тяжёлого родственника электрона. Мюон в покое может существовать порядка 2,2 миллионных доли секунды.
Читать полностью »

Обновлённые результаты японского эксперимента с нейтрино продолжают раскрывать подробности несоответствия в поведении материи и антиматерии

Нейтрино предлагают решение загадки существования Вселенной - 1
Нейтрино, проходящие через установку Супер-Камиоканде создают информативное цветовое распределение на стенках детектора

Если смотреть сверху, то можно перепутать дыру в земле с огромной шахтой лифта. Но на самом деле она ведёт к эксперименту, который может ответить на вопрос, почему материя не исчезла, превратившись в облако излучения вскоре после Большого взрыва.

Я нахожусь в Японском исследовательском комплексе протонного ускорителя (Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC) – удалённом и хорошо охраняемом правительственном учреждении в Токай, примерно в часе езды на поезде на север от Токио. Идущий здесь эксперимент T2K (Tokai-to-Kamioka) производит луч субатомных частиц, нейтрино. Луч проходит через 295 км камня к детектору Супер-Камиоканде, гигантской яме, зарытой на глубине 1 км под землёй и заполненной 50 000 тонн сверхчистой воды. Во время путешествия некоторые нейтрино меняют «сорт» с одного на другой.
Читать полностью »

Спросите Итана: если вещество состоит из точечных частиц, почему у предметов есть размеры? - 1
Модель структуры протона вместе с присущими ему полями показывает, как, несмотря на то, что он состоит из точечных кварков и глюонов, у него есть конечный и довольно большой размер, возникающий благодаря взаимодействию его внутренних квантовых сил

Основная идея атомной теории состоит в том, что на наименьшем, фундаментальном уровне материю, из которой всё состоит, после какого-то предела уже нельзя делить далее. Эти итоговые строительные блоки материи были бы буквально неделимыми, ἄτομος. Спускаясь на всё меньшие масштабы, мы обнаруживаем, что молекулы состоят из атомов, а те состоят из протонов, нейтронов и электронов, а протоны и электроны можно дальше делить на кварки и глюоны. И хотя кажется, что кварки, глюоны, электроны и прочие являются точечными частицами, у состоящей из них материи есть реальные, конечные размеры. Почему так происходит? Именно это хочет узнать наш читатель:

Многие источники постулируют, что кварки – точечные частицы. Можно было бы подумать, что состоящие из них объекты – нейтроны – тоже точечные. Что не так в моём рассуждении? Или же они связываются между собой таким образом, что у получающегося нейтрона оказывается некий размер?

Давайте отправимся к мельчайшим масштабам и посмотрим, что там происходит.
Читать полностью »

image
Частицы стандартной модели, с массами, указанными в левом верхнем углу. Три левых столбца занимают фермионы, два правых — бозоны

Во всей Вселенной есть только два типа фундаментальных частиц: фермионы и бозоны. Каждая частица, в дополнение к обычным, известным вам свойствам, вроде массы и электрического заряда, обладает присущим ей количеством углового момента, известного, как спин. Частицы с полуцелыми спинами (±1/2, ±3/2, ±5/2,..) известны, как фермионы. Частицы с целыми спинами (0, ±1, ±2,..) — бозоны. Других частиц, фундаментальных или составных, во Вселенной нет. Но почему это имеет значение? Наш читатель спрашивает:

Не могли бы вы объяснить разницу между фермионами и бозонами? Что меняется при переходе от целого спина к полуцелому?

На первый взгляд, разбитие частиц на категории по таким свойствам кажется случайным.
Читать полностью »

Ядра атомов: в самом сердце материи - 1
Рис. 1

Ядро атома получается крохотным, его радиус в 10 000–100 000 раз меньше всего атома. Каждое ядро содержит определённое количество протонов (обозначим его Z) и определённое количество нейтронов (обозначим его N), скреплённых вместе в виде шарика, по размеру не сильно превышающего сумму их размеров. Отметим, что протоны и нейтроны вместе часто называют «нуклонами», а Z+N часто называют A – общее количество нуклонов в ядре. Также Z, «атомное число» – количество электронов в атоме.

Типичное мультяшное изображение атома (рис. 1) чрезвычайно преувеличивает размер ядра, но более-менее правильно представляет ядро как небрежно соединённое скопление протонов и нейтронов.

Содержимое ядра

Откуда нам известно, что находится в ядре? Эти крохотные объекты просто охарактеризовать (и это было просто исторически) благодаря трём фактам природы.
Читать полностью »

IceCube: гигантский замороженный детектор нейтрино - 1

IceCube – один из крупнейших экспериментов мира. Он состоит из кубического километра (почти миллиард тонн) льда, расположенного глубоко под снежной поверхностью южного полюса нашей планеты. Он предназначен для обнаружения нейтрино из глубокого космоса, которые смогут столкнуться с чем-то внутри, или в непосредственной близости от этой глыбы. В этой статье я немного расскажу о том, как он работает.

Неуловимые нейтрино

Чтобы понять мотивацию этого эксперимента, неплохо будет начать с небольшого обзора нейтрино. Их бывает три типа, а также три типа антинейтрино, но пока, вместо того, чтобы обсуждать их различия, давайте сконцентрируемся на том, что у них общего.

Я не буду каждый раз писать «нейтрино и антинейтрино». IceCube не отличит нейтрино и антинейтрино, так что, если не указано обратное, я буду называть их просто «нейтрино». То же верно и для мюонов, под которыми я буду подразумевать мюоны и антимюоны.
Читать полностью »

В XX-м веке специалисты по физике частиц обнаружили, что очень важно учитывать все возможные симметрии, которые могут демонстрировать законы природы, управляющие элементарными частицами. Наличие или отсутствие симметрии может открыть нам аспекты природы, иным образом неочевидные.

Из множества возможных симметрий можно выделить три, играющие уникальные роли: зарядовое сопряжение (С), пространственная чётность (Р) и симметрия по отношению к обращению времени (Т). Три этих преобразования, влияющих на частицы, пространство, и время, включают:

• С: замена всех частиц на частицы с противоположным зарядом (как электрический заряд, так и менее знакомые заряды; заменяются даже некоторые нейтральные частицы. К примеру, нейтрино меняются на антинейтрино, а нейтроны – на антинейтроны).
• Р: помещение мира в зеркало (точнее, смена ориентации трёх измерений на противоположные).
• Т: запуск мира в обратном направлении времени (точнее, изменение направления временной эволюции).
Читать полностью »

Нейтрино – точно так же, как заряженные лептоны (электрон, мюон, тау), кварки верхнего типа (верхний, очарованный, истинный) и нижнего типа (нижний, странный, прелестный) – бывают трёх типов. Но делить на типы их можно разными способами. При этом, из-за квантовой природы нашего мира в один момент времени можно использовать только один из них. В этой статье я объясню, почему так происходит, и как из этого факта следует такой интересный и важный с научной точки зрения факт, как нейтринные осцилляции.

Вы, возможно, считаете, что у каждой частицы есть определённая масса – к примеру, энергия массы электронов равна (E = mc2) 0,000511 ГэВ – и с одной из возможных точек зрения три типа нейтрино не являются исключениями. Мы можем классифицировать три нейтрино по их массам (которые пока точно неизвестны), и называть их, от наиболее лёгких к наиболее тяжёлым, нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Мы назовём такое деление массовой классификацией, а такие типы нейтрино – массовыми типами.
Читать полностью »

Про нейтринные осцилляции слышали почти все гики. Про это явление написано много профессиональной литературы и куча популярных статей, но вот только авторы учебников считают, что читатель разбирается в теории поля, да еще и квантовой, а авторы популярных статей обычно ограничиваются фразами в стиле: «Частички летят-летят, а потом БАЦ и превращаются в другие», причем с другой массой (!!!). Постараемся разобраться, откуда берется этот интереснейший эффект и как его наблюдают с помощью огромных установок. А заодно узнаем, как можно найти и извлечь несколько нужных атомов из 600 тонн вещества.

image
Читать полностью »

Недавно прошла 61 годовщина рождения экспериментальной нейтринной физики. К круглой дате я на год опоздал, но все же. Хочу рассказать, как появилась одна из интереснейших областей современной физики. Началось все с того, что для выполнения законов сохранения энергии и импульса придумали принципиально нерегистрируемую частицу. Потом этого «полтергейста» тщательно искали, причем весьма экстравагантным способом. Вплоть до идей взрывать ядерные бомбы ради регистрации 2-3 событий, причем сводобнопадающим в течение пары секунд однотонным детектором.

Так начиналась история совершенно новой области в физике, которая принесла больше Нобелевских премий, чем любая другая.

image
Читать полностью »