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

Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Это со мной уже было: почему мы испытываем дежавю Это со мной уже было: почему мы испытываем дежавю

Человек испытывает настойчивое ощущение, будто прежде бывал в подобной ситуации

Cosmopolitan
Игровое кино Игровое кино

Тимур Бекмамбетов — о технологии съемки воздушного боя внутри компьютерной игры

Популярная механика
Все умрут, а я продамся: как выглядит успешный и провальный продакт-плейсмент в кино Все умрут, а я продамся: как выглядит успешный и провальный продакт-плейсмент в кино

Как работает скрытая реклама в кино?

Esquire
БИНТИ БИНТИ

Бюро иностранной научно-технической информации

Наука и жизнь
«Обалдение полное» «Обалдение полное»

Какими увидели красноармейцев русские эмигранты в Эстонии?

Дилетант
Александр «Чача» Иванов Александр «Чача» Иванов

Ветеран панк-рока рассказал о своих отношениях со спиртным, религией и музыкой

Maxim
Самые частые поломки кофемашин: как все исправить самостоятельно Самые частые поломки кофемашин: как все исправить самостоятельно

Что делать, если кофемашина сломалась?

Популярная механика
История мира в шести стаканах История мира в шести стаканах

Как ваши любимые напитки изменили мир

kiozk originals
Ученые выяснили, как уничтожать раковые опухоли с помощью лазера и наночастиц кремния Ученые выяснили, как уничтожать раковые опухоли с помощью лазера и наночастиц кремния

Прицельный нагрев тканей уничтожает раковые клетки

Популярная механика
«Адская молотилка». Десять выстрелов в минуту в одну точку «Адская молотилка». Десять выстрелов в минуту в одну точку

Российская армия приняла на вооружение артиллерийского монстра

Популярная механика
Кадровый резерв: растить нельзя искать на стороне Кадровый резерв: растить нельзя искать на стороне

Как формировать собственный кадровый резерв?

Inc.
Игорь Гудков: «Все мы с Рубинштейна, 13...» Игорь Гудков: «Все мы с Рубинштейна, 13...»

Игорь Гудков (он же Панкер) был завсегдатаем питерского рок-клуба

Коллекция. Караван историй
6 самых ярких книг 2021 года 6 самых ярких книг 2021 года

Самые интересные книги 2021 года

Cosmopolitan
Диета голубых зон: 7 правил питания долгожителей, которые продлевают молодость Диета голубых зон: 7 правил питания долгожителей, которые продлевают молодость

Рассказываем о главных принципах диеты голубых зон

Cosmopolitan
Невелика потеря? Невелика потеря?

Что делать, если ты не можешь найти свою банковскую карту

Лиза
Закат знаменитого перехватчика: как появился и пропал американский самолет YF-12 Закат знаменитого перехватчика: как появился и пропал американский самолет YF-12

Как и почему секретный самолёт для ЦРУ превратился в перехватчик?

Популярная механика
Как выглядели бы звезды, если бы «сменили» цвет глаз — эксперимент VOICE Как выглядели бы звезды, если бы «сменили» цвет глаз — эксперимент VOICE

Цвет глаз кардинально меняет весь внешний вид человека, верно?

VOICE
Как влияют на полёты самолётов вышки 5G: страшная правда Как влияют на полёты самолётов вышки 5G: страшная правда

Мобильная связь 5G может помешать работе оборудования самолётов?

Популярная механика
Хорошая фигура и стиль: в чем подвох? Хорошая фигура и стиль: в чем подвох?

Почему наличие хорошей фигуры не всегда значит, что стиль тоже на высоте?

Cosmopolitan
«Аллея кошмаров» — нерасторопный и предсказуемый, но величественный и красивый фильм Гильермо дель Торо. Кажется, это его «Гражданин Кейн»! «Аллея кошмаров» — нерасторопный и предсказуемый, но величественный и красивый фильм Гильермо дель Торо. Кажется, это его «Гражданин Кейн»!

«Аллея кошмаров» — гениальный или провальный фильм Гильермо дель Торо?

Esquire
Я в домике Я в домике

С дефицитом шале в Куршевеле покончено — «Татлер» выдыхает с облегчением

Tatler
Не такой, как все Не такой, как все

Офис строительный компании, наполненный живописью и скульптурой

AD
Как пережить конец света: лучшие фильмы про апокалипсис и выживание Как пережить конец света: лучшие фильмы про апокалипсис и выживание

Фильмы о том, как человечество пытается пережить апокалипсис

Forbes
Почему котики такие милые? Этому есть 8 научно обоснованных причин Почему котики такие милые? Этому есть 8 научно обоснованных причин

Почему кошки кажутся нам маленькими детьми?

Cosmopolitan
Три рецепта счастья для молодого одинокого дедушки Три рецепта счастья для молодого одинокого дедушки

Когда в 34 года становишься одиноким дедом, может это с тобой что-то не так?

СНОБ
«Пузырь доткомов 19 века»: как шотландец обманом собрал сотни тысяч фунтов на развитие вымышленной страны Пояис «Пузырь доткомов 19 века»: как шотландец обманом собрал сотни тысяч фунтов на развитие вымышленной страны Пояис

Как Грегор Макгрегор провозгласил себя правителем земли, которой не владел

VC.RU
Как притянуть удачу Как притянуть удачу

5 лайфхаков, чтобы настроить линию судьбы

Лиза
«Маска» дала мне свободу и возможность петь то, что я хочу» «Маска» дала мне свободу и возможность петь то, что я хочу»

Кирилл Туриченко о череде удач и неудач в карьере и судьбоносном знакомстве

OK!
Личный опыт: как мы отказались от столичных разрабов и начали хантить айтишников из СНГ Личный опыт: как мы отказались от столичных разрабов и начали хантить айтишников из СНГ

Чем так хороши айтишники из СНГ?

Inc.
Открыть в приложении