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

Летающий мопед Летающий мопед

Автожиры: полет над вулканом и не только.

Популярная механика
Вышел «Миротворец» — сериальный спин-офф «Отряда самоубийц» Джеймса Ганна про идиотичного супергероя с тонной пошлых шуток. Но что с ним не так? Вышел «Миротворец» — сериальный спин-офф «Отряда самоубийц» Джеймса Ганна про идиотичного супергероя с тонной пошлых шуток. Но что с ним не так?

Почему сериал «Миротворец» напоминает стендап Луи Си Кея и твит Дональда Трампа

Esquire
Гонка за орбитальный кинематограф Гонка за орбитальный кинематограф

Зачем снимать кино в космосе, если есть компьютерная графика?

Популярная механика
Данил Стеклов: Данил Стеклов:

Интервью со звездой сериала «Седьмая симфония» Данилом Стекловым

Караван историй
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
«Люди больше не хотят гибкого расписания — они хотят полностью контролировать своё время» «Люди больше не хотят гибкого расписания — они хотят полностью контролировать своё время»

Эксперимент Best Buy: офисные сотрудники сами выбирали где и сколько работать

VC.RU
Властелин Европы посреди Атлантики Властелин Европы посреди Атлантики

Святая Елена стала местом смерти Наполеона и рождения наполеоновской легенды

Дилетант
Как мозг хранит воспоминания: ученые изучали рыб, чтобы ответить на этот вопрос Как мозг хранит воспоминания: ученые изучали рыб, чтобы ответить на этот вопрос

Воспоминания - одна из самых загадочных вещей. Как они записываются в мозге?

Популярная механика
Поля морей Поля морей

Новые технологии сельского хозяйства: фермы в океане

Популярная механика
Opel Zafira Life — автомобиль, который подходит и многодетным отцам, и холостякам Opel Zafira Life — автомобиль, который подходит и многодетным отцам, и холостякам

Opel Zafira Life — едва ли не лучший микроавтобус для путешествий с семьей

Maxim
От падучей до святости От падучей до святости

Главные события, связанные с именем царевича Дмитрия

Дилетант
5 горнолыжных курортов, где можно отлично покататься 5 горнолыжных курортов, где можно отлично покататься

Cнега хватит всем!

Лиза
Замужем за мафией: 6 жен самых опасных в истории гангстеров Замужем за мафией: 6 жен самых опасных в истории гангстеров

Чем жизнь жены преступника номер один отличается от судеб обычных людей?

VOICE
Без магии и эзотерики: как привлекать к себе мужчин Без магии и эзотерики: как привлекать к себе мужчин

Есть женщины, которые обладают природным магнетизмом

Cosmopolitan
О чем мы не можем говорить О чем мы не можем говорить

Многим трудно говорить о половых органах, невозможно даже произнести их названия

Psychologies
Хьюстон, у нас проблема: как понять, что отношения мешают тебе развиваться Хьюстон, у нас проблема: как понять, что отношения мешают тебе развиваться

Порой спутник жизни может серьезно тормозить личностный рост

Cosmopolitan
Как бывший олигарх Мухтар Аблязов превратился в «лидера протестов» в Казахстане Как бывший олигарх Мухтар Аблязов превратился в «лидера протестов» в Казахстане

Как Мухтар Аблязов стал олигархом, а потом беглым преступником и оппозиционером

Forbes
Зло слов: краткая история оскорблений и ругательств Зло слов: краткая история оскорблений и ругательств

Жить в страшно оскорбленном мире неинтересно, зато интересно, как это начиналось

Maxim
25 вещей, которые на самом деле ненавидят женщины 25 вещей, которые на самом деле ненавидят женщины

Женщины очень разные. В этом-то и проблема. И что они не любят — сложно понять

Maxim
Через Вселенную Через Вселенную

Звезда «Игры в кальмара» Чон Хо Ён — о взлетах, падениях и шансе

Vogue
Одна вокруг света: где находится «обитель Солнца» и живут 500 видов птиц Одна вокруг света: где находится «обитель Солнца» и живут 500 видов птиц

Кругосветное путешествие москвички Ирины Сидоренко и ее собаки Греты: Колумбия

Forbes
Главное – говори! Главное – говори!

Чулпан Хаматова празднует 15-летие фонда «Подари жизнь»

Harper's Bazaar
На Русском подворье в Иерусалиме нашли 124 жертвы древней резни На Русском подворье в Иерусалиме нашли 124 жертвы древней резни

Не менее 124 человек стали жертвами резни, произошедшей в II—I веке до нашей эры

N+1
Ранние признаки беременности: 15 симптомов, которые появляются на первых неделях Ранние признаки беременности: 15 симптомов, которые появляются на первых неделях

О начале беременности можно узнать не только по задержке месячных

Cosmopolitan
Гаспар Ульель. Жизнь по своим правилам Гаспар Ульель. Жизнь по своим правилам

Гаспар Ульель был легендой своего поколения

СНОБ
Гендиректор «МТС Медиа»/KION Игорь Мишин о развитии индустрии и возможностях цифровых платформ Гендиректор «МТС Медиа»/KION Игорь Мишин о развитии индустрии и возможностях цифровых платформ

Игорь Мишин рассказывает о феномене сериала «Клиника счастья»

СНОБ
Трагедия Макбета: театр без воздуха, Коэн без брата Трагедия Макбета: театр без воздуха, Коэн без брата

Вышла «Трагедия Макбета» — первый фильм Джоэла Коэна, снятый без брата Итана

РБК
Карта: 9 главных «цветных революций» СНГ, состоявшихся и не очень Карта: 9 главных «цветных революций» СНГ, состоявшихся и не очень

«Цветные революции» на постсоветском пространстве

Maxim
Телескоп Gaia помог определить природу Местного Пузыря Телескоп Gaia помог определить природу Местного Пузыря

Внутри него находится Солнечная система

N+1
17 главных мифов про здоровое питание 17 главных мифов про здоровое питание

Мы попали в лабиринт из модных тенденций и маркетинговых кампаний

Men’s Health
Открыть в приложении