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

Премия за самый короткий импульс света Премия за самый короткий импульс света

Как электроны связаны с современной наукой?

Наука и жизнь
Персона Персона

Юрий Кузнецов — о любви к уральским изумрудам и стилю ар-деко

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
Прокатят по деньгам Прокатят по деньгам

Как развивается и от чего зависит цена на сталь в России

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
Канны-2025: Кафка в замешательстве Канны-2025: Кафка в замешательстве

Фильмы, сквозной темой которых стали неумирающие призраки прошлого

РБК
Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий

Какие же тайны и интересные особенности скрывает Меркурий?

Наука и жизнь
Компания в кризисе: как не утонуть, когда все вокруг рушится? Компания в кризисе: как не утонуть, когда все вокруг рушится?

Как сохранить самообладание и профессионализм, когда компания в кризисе?

Inc.
Акция «В постели за мир» Акция «В постели за мир»

Лежачий протест Джона Леннона и Йоко Оно против войны во Вьетнаме

Дилетант
Как побороть тягу к еде: новое мнение ученых Как побороть тягу к еде: новое мнение ученых

Секрет победы над куском торта может заключаться в следующем… съесть этот кусок!

ТехИнсайдер
Лес у реки Лес у реки

«Зеленые легкие планеты, первобытная среда обитания»

Вокруг света
Как на телефоне отсканировать QR-код: пошаговая инструкция для Android и iPhone Как на телефоне отсканировать QR-код: пошаговая инструкция для Android и iPhone

Инструкция, как отсканировать QR-код на экране телефона на Android и iPhone

CHIP
«Эфиопия — наша!» «Эфиопия — наша!»

В 1936 году фашистская Италия ликовала: над столицей Эфиопии поднялся их флаг

Дилетант
Астрономы подтвердили существование экзогиганта на ретроградной орбите в тесной двойной системе Астрономы подтвердили существование экзогиганта на ретроградной орбите в тесной двойной системе

Астрономы нашли экзогиганта на необычно широкой и ретроградной орбите

N+1
Ветвистоусые летописцы водоёмов Ветвистоусые летописцы водоёмов

Кандидат биологических наук Антон Жаров — о кладоцерной палеореконструкции

Наука и жизнь
Признание на стекле: как «Ролан Гаррос» подарил теннису самую узнаваемую традицию Признание на стекле: как «Ролан Гаррос» подарил теннису самую узнаваемую традицию

Почему традиция теннисистов расписываться на линзе камере родилась во Франции

Forbes
«Мы не воюем, мы работаем» «Мы не воюем, мы работаем»

О службе в Афганистане и Чечне, а также о специфике работы советских погранвойск

Монокль
Дела сердечные: как современный ритм жизни влияет на риск возникновения инфаркта Дела сердечные: как современный ритм жизни влияет на риск возникновения инфаркта

Какие привычки бьют по сердцу сильнее наследственности?

Правила жизни
Спокоен как самурай: как японская философия помогает выжить в трудные времена Спокоен как самурай: как японская философия помогает выжить в трудные времена

Что помогает японцам принимать неопределенность?

Forbes
Индивидуалистка из СССР: как Айн Рэнд боролась с коммунизмом и создавала бестселлеры Индивидуалистка из СССР: как Айн Рэнд боролась с коммунизмом и создавала бестселлеры

Как Айн Рэнд, дочь аптекаря из Петербурга, смогла покорить США

Forbes
Медоуказчики привели людей к змеям по ошибке Медоуказчики привели людей к змеям по ошибке

Орнитологи выяснили, почему большие медоуказчики иногда направляют людей к змеям

N+1
Время вторых: сколько зарабатывают победители национальных кубков в Европе Время вторых: сколько зарабатывают победители национальных кубков в Европе

Что (кроме почета) получают победители национальных кубков в топ-5 лигах Европы

Forbes
Гидротрансформация Гидротрансформация

Как роботизированная КПП кроссовера Jetour T2 сочетает экономию и проходимость

Автопилот
Андрей Кирсанов Андрей Кирсанов

Андрей Кирсанов по-настоящему круто умеет смотреть объективом в глаза

Собака.ru
Смертельно опасный тренд TikTok: почему мужчины бреют ресницы и чем это грозит? Смертельно опасный тренд TikTok: почему мужчины бреют ресницы и чем это грозит?

Для чего человеку нужны ресницы и что будет, если их сбрить?

Inc.
Режиссер Леонид Хейфец. Откровенно о Дорониной, Миронове и Борисове Режиссер Леонид Хейфец. Откровенно о Дорониной, Миронове и Борисове

Когда Ефремов пригласил меня, МХАТ как раз «пилился»

Коллекция. Караван историй
Продать продукт, даже если его еще нет: 5 шагов, чтобы на старте понять, «выстрелит» ‎ли бизнес Продать продукт, даже если его еще нет: 5 шагов, чтобы на старте понять, «выстрелит» ‎ли бизнес

Как проверить бизнес-идею до вложений и не влезть в долги

Inc.
6 самых безумных предметов, которые когда-либо крали 6 самых безумных предметов, которые когда-либо крали

Некоторые из самых странных вещей, которые когда-либо были украдены

ТехИнсайдер
Антон Рудзат Антон Рудзат

Антон Рудзат режиссирует, фотографирует и придумывает стратегии

Собака.ru
Спасители мира: 10 важных фактов о пчелах Спасители мира: 10 важных фактов о пчелах

10 главных фактов, которые стоит знать о пчелах

Правила жизни
Открыть в приложении