Фізика
Фізика

2021 поглядом nauka.ua. Фізика

Рік нових частинок, нових рекордів і неймовірної точності. Ми обрали десяток новин з фізики за 2021 рік, які на наш погляд, здатні описати, що діється у «науці про Всесвіт». Тому оголошуємо: нові рекорди з утримання плазми, тетранейтрон і двічі чарівний кварк, а також перше для Великого адронного колайдера нейтрино і ні частинки темної матерії у підземних лабораторіях.

CERN / LHC    

CERN / LHC

Частинки року: чотири в одному

Одерон, тетранейтрон і двічі чарівний кварк — непоганий список нових частинок, якими поповнилася фізика за 2021 рік та якими варто доповнити свій словниковий запас. Дві з них нам приніс Великий адронний колайдер на другому сезоні своєї роботи, а одну — німецькі фізики-експериментатори. Втім, про всі по порядку.

Доволі довго вважалося, що нейтрон — елементарна частинка зі складу ядра — не вміє складатися з іншими нейтронами. Втім, хоч фізика і забороняє, експериментатори вже складали динейтрони — частинки із двох нейтронів. Частинка не надто довго прожила, всього 10^-22 секунди, але їй цього вистачило, щоб порушити наші уявлення про головний матеріал нейтронних зірок. І на початку зими німецьким фізикам вдалося поєднати в одну частинку цілих чотири нейтрони.

Свій тетранейтрон вони отримали, розігнавши іони літію та зіткнувши їх з мішенню. У результаті відновлена маса отриманої частинки склала суму енергії зв'язку та енергії спокою чотирьох нейтронів, а точність експерименту оцінили у більш як 99,7 відсотка. Час життя частинки оцінили в 450 секунд.

Подвійна чарівність

Ще однією частинкою року, яку склали з інших частинок, став двічі чарівний тетракварк — частинка з двох чарівних кварків, а також верхнього і нижнього антикварків. Її відшукали на Великому адронному колайдері у протон-протонних зіткненнях у ході експерименту LHCb. Причому чарівність вперше виявилася відкритою — у складі частинки були саме чарівні кварки, а не пара з чарівних кварка і антикварка. Знайдений тетракварк дає надію на можливість знайти і подібну частинку з пари «красивих» b-кварків, яку зможе змусити розпастися лише слабка взаємодія.

CERN / LHC

CERN / LHC

Зібрати глюони докупи

А от іншій колаборації з ВАК, на ім'я TOTEM, вдалося відшукати нову частинку не у прямих зіткненнях інших, а у так званих пружних, де частинки взаємодіють між собою, але не руйнуються. Так можна перевіряти теорію, яка описує взаємодії, і цього разу перевіряли ефекти квантової хромодинаміки, які передбачали можливість утворення частинки з глюонів — носіїв сильних взаємодій. Знайдений одерон — віртуальна частинка з кількох глюонів (але непарної їхньої кількості), а ще — демонстрація точності теорії зі статистичною похибкою всього у 5,7 сигми.

За рамками Стандартної моделі

Минулого року фізика вже стикалася із виходом за межі Стандартної моделі — головної теорії, яка описує частинки, з яких побудований Всесвіт, і взаємодії між ними. У 2020 загрозою стала став заряджений В-мезон, який розпався на каон-мюонну пару на ВАК. Цього разу Стандартну модель похитнув магнітний момент мюона — частинки-родички електрона, що у 207 разів «важча» за нього. На магнітний момент цієї частинки впливає її взаємодія з іншими. І виміряний фізиками з Фермілабу «g-фактор» не підходить під передбачення Стандартної моделі. А отже — потребує нових частинок і виходу з її межі.

Діаграми Фейнмана, які за Стандартною моделлю описують можливі зміни магнітного моменту мюона від взаємодії з іншими частинками. Muon g – 2 collaboration / Physical Review Letters, 2021

Діаграми Фейнмана, які за Стандартною моделлю описують можливі зміни магнітного моменту мюона від взаємодії з іншими частинками. Muon g – 2 collaboration / Physical Review Letters, 2021

У рамках експериментальної похибки

А от бозон Хіггса — головна частинка Стандартної моделі, яка і довела її точність, навпаки, повністю у неї вписується та не відходить від її передбачень навіть у межах експериментальної похибки. Фізикам з експерименту CMS на Великому адронному колайдері вдалося вперше експериментально виміряти час життя бозона Хіггса.

Враховуючи унікальну роль цієї частинки у Стандартній моделі, тобто фізиці, якою ми її знаємо, детальне вивчення його властивостей є основною метою, а інформація про час життя допоможе обмежити його взаємодії з іншими частинками. Так з'ясувалося, що якщо впіймати народжений «поза масовою оболонкою» бозон, можна з імовірністю у 99,9 відсотка виміряти ширину його розпаду, яка і вкаже — частинка живе 2,1×10^-22 секунди.

CERN / ATLAS

CERN / ATLAS

Двічі не темна матерія

Втім, не всі експерименти цього року увінчалися успіхом. Попри те, що італійським фізикам з експерименту DAMA / LIBRA вже понад 20 років вдається знаходити темну матерію у вигляді вімпів під горою Гран-Сассо в Італії, двом іншим підземним експериментам цього не вдалося. Точні копії італійського детектора глибоко під Піренеями на півночі Іспанії, а також у підземній лабораторії Яньян у Південній Кореї так і не змогли відтворити неймовірних результатів DAMA / LIBRA.

Експерименту ANAIS, що в Іспанії, на це знадобилося три роки, а COSINE-100 у південнокорейській лабораторії — трохи більше півтора року. Але вони однаково не знайшли у детекторах жодного сигналу, який відповідав би взаємодії з темною матерією, як про це заявляє DAMA / LIBRA.

COSINE-100

COSINE-100

Вдвічі більш точно

А от дослідникам з більш як десяти лабораторій вдалося підвищити точність вимірювань часу життя вільного нейтрона у понад як 2,25 раза. Для цього вони ловили у гравітаційно-магнітну пастку понад як 40 мільйонів ультрахолодних нейтронів з якими провели три сліпих експерименти. За кілька десятиліть оцінки часу життя цієї довгоживучої масивної частинки зменшилися майже у 200 разів. І сьогодні із похибкою у 0,0039 відсотка можна заявити — вільний нейтрон живе 877,75 секунди або трохи менше 15 хвилин.

Діаграма Фейнмана для бета-розпаду нейтрона на протон, електрон і антинейтрино за участі віртуального W-бозона/ Joel Holdsworth / Wikimedia Commons

Діаграма Фейнмана для бета-розпаду нейтрона на протон, електрон і антинейтрино за участі віртуального W-бозона/ Joel Holdsworth / Wikimedia Commons

На цьому здобутки у точності 2021 не завершилися. Рішення вчених перевиміряти зарядовий радіус ядра ізотопу гелію у зіткненнях гелієвого газу з мюонами гелію призвело до підвищення точності результату приблизно вп'ятеро. Гелій можна використати, щоб вивчати альфа-частинки, визначення розміру яких може суттєво обмежити теорії ядерної структури. І будь-яке розходження із теорією (як і всюди у фізиці) може вказати на нову взаємодію або частинку. Зарядовий радіус гелію-4 виявився 1,67824 фемтометра, а ще — ідеальною тестовою величиною для майбутніх експериментів.

Світіння гелію під час проходження через нього електричного струму. Alchemist-hp / Wikimedia Commons 

Світіння гелію під час проходження через нього електричного струму. Alchemist-hp / Wikimedia Commons

Перше для ВАК нейтрино

Цього року на ВАК народилися не лише нові небачені раніше частинки, а і цілком відомі фізикам, яких вже давно знаходили у різноманітних експериментах. Йдеться про нейтрино, яких досі на ВАК не помічали. Команда фізиків із 21 інституту дев'яти країн представила результати пілотного запуску детектора FASER, який мав у зіткненнях протонів впіймати на свинцеві і вольфрамові пластинки сліди нейтрино.

Народжене безпосередньо на колайдері нейтрино допоможе вивчати його взаємодії з іншими частинками у діапазонах енергій, доступних виключно колайдерам. І тому знайдені у пілоті експерименту шість актів взаємодії нейтрино з речовиною детектора є не лише першим досвідом для ВАК, а і вказівкою на місце у колайдері, де треба ці частинки шукати.

Втримати плазму. Новий рекорд у стосунках плазми і магнітних полів

Минулого року ми розповідали, як фізикам на південнокорейському токамаці KSTAR вдалося досягти показника в 20 секунд для плазми з температурою 100 мільйонів кельвінів, що стало світовим рекордом. У підсумках цього року ми розповідаємо про китайський токамак EAST, який свою, розігріту до 120 мільйонів кельвінів, плазму зміг втримати на 101 секунду, а на 40 мільйонів кельвінів гарячішу — на 20 секунд. Це не перший для EAST рекорд, хоча і цього все ще недостатньо, щоб він міг працювати у промислових масштабах.

Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences 

Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences