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

Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
Лестница в небо Лестница в небо

Как помочь новому поколению найти свое место в нашем безумном мире

Men Today
Дочь Ра Дочь Ра

Клеопатре суждено было стать последней царицей относительно независимого Египта

Дилетант
Изобретая наследие Изобретая наследие

Как экономика впечатлений меняет российские города

Эксперт
Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий

Какие же тайны и интересные особенности скрывает Меркурий?

Наука и жизнь
Малая и средняя конкуренция Малая и средняя конкуренция

Субъекты малого и среднего бизнеса видят усиление конкуренции. Итоги мониторинга

Ведомости
Экстремалы в природе, или о пределах выносливости Экстремалы в природе, или о пределах выносливости

Они выбрали себе жизнь, какой не позавидуешь, и везде сумели освоиться

Наука и жизнь
Венгерская хроника Венгерская хроника

Михай Зичи: хроникёр придворной жизни России XIX в акварели

Дилетант
«В церкви Божией разгласия» «В церкви Божией разгласия»

Почему и как образовались сразу две «параллельные» русские митрополии?

Дилетант
Куда приводят мечты инженеров Куда приводят мечты инженеров

Маршрут выходного дня по Калужской области

Weekend
Где у планеты легкие Где у планеты легкие

Леса – легкие планеты? Каждый из нас слышал эту фразу

Вокруг света
День Д: как города США зарабатывают сотни миллионов на церемониях драфта НФЛ День Д: как города США зарабатывают сотни миллионов на церемониях драфта НФЛ

Что такое драфты и почему они вообще существуют?

Forbes
Екатерина Великая в Москве Екатерина Великая в Москве

Екатерина Великая не любила Москву, но так ли всё однозначно?

Знание – сила
Самые скандальные Папы Римские: от средневековья до наших дней Самые скандальные Папы Римские: от средневековья до наших дней

Какие Папы Римские прославились вовсе не благодеяниями, а громкими скандалами

Maxim
И ты, Иван? И ты, Иван?

Почему гетман Иван Мазепа предал своего царя?

Дилетант
Своей иранской тропой Своей иранской тропой

Современный Иран надеется сохранить государство и суверенитет

Монокль
Открывая космос Открывая космос

Путеводитель женщины-астронавта по миру миссий, чудес и перемен в космосе

kiozk originals
Так буллинг приводит к трагедии: почему сериал «Переходный возраст» стал откровением для родителей Так буллинг приводит к трагедии: почему сериал «Переходный возраст» стал откровением для родителей

Чему нас может научить сериал о психологии насилия «Переходный возраст»

VOICE
«Обогащайтесь!» «Обогащайтесь!»

От старшего брата тамбовцам остались легенды — и мрачное пророчество

Дилетант
Прекрасная эпоха Прекрасная эпоха

Премьерный балет «Две Анны» – посвящение двум великим женщинам Серебряного века

Grazia
Почему оливковое масло считается полезным Почему оливковое масло считается полезным

8 главных преимуществ оливкового масла для здоровья

ТехИнсайдер
Конкуренты Конкуренты

Какими они были, конкуренты герцога Нормандского?

Дилетант
Осень картеля Осень картеля

Почему ОПЕК+ решил ускорить восстановительный рост нефтедобычи

Монокль
Гита, жена Мономаха Гита, жена Мономаха

Первой женой Мономаха была дочь Гарольда Годвинсона, павшего при Гастингсе

Дилетант
Психологический портрет: что такое дисморфофобия, или синдром Квазимодо Психологический портрет: что такое дисморфофобия, или синдром Квазимодо

Что нужно знать о дисморфофобии?

Forbes
Джозефу Пулицеру — 177 лет: кем был создатель главной журналистской премии Джозефу Пулицеру — 177 лет: кем был создатель главной журналистской премии

История создателя «Оскара» в журналистике — журналиста Джозефа Пулицера

Правила жизни
Эпидемия цифрового слабоумия: почему нынешние поколения глупее предыдущих Эпидемия цифрового слабоумия: почему нынешние поколения глупее предыдущих

Почему из-за развития цифровых технологий снижаются когнитивные функции человека

Монокль
Путь от бастарда до монарха Путь от бастарда до монарха

Как бастарду Вильгельму I удалось превратить свою мечту о короне в реальность?

Дилетант
Как Шаболовка, но в 4 раза выше: мы нашли самый высокий гиперболоид мира Как Шаболовка, но в 4 раза выше: мы нашли самый высокий гиперболоид мира

Canton Tower – самый высокий гиперболоид мира

ТехИнсайдер
Николай Лебедев: Сейчас я бы очень хотел снять космическую фантастику Николай Лебедев: Сейчас я бы очень хотел снять космическую фантастику

Как Н. Лебедев стал постановщиком «Кракена» и чем ему помог плюшевый осьминог

Ведомости
Открыть в приложении