Фізика
Хороші новини
Фізика
Хороші новини

Але є і хороші новини. Фізика у 2020

На щастя пандемія не завадила Нобелівському комітету нагородити вчених за роботи, присвячені дослідженню чорних дір, аналізувати дані з поки неробочого Великого адронного колайдера та виходити за межі Стандартної моделі. Про те, як фізики виходили за межі у 2020 та навпаки відкривали нові обмеження, читайте у нашому дайджесті.

NAUKA.UA

Нобелівський комітет нагородив дослідників чорних дір

Цьогорічну премію поділили між собою Роджер Пенроуз (Roger Penrose), Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) та Андреа Гез (Andrea Ghez) за відкриття можливості формування чорних дір в рамках загальної теорії відносності та відкриття надмасивного компактного об’єкта в центрі нашої галактики. Фізик Роджер Пенроуз довів те, у чому і сам Ейнштейн сумнівався, а саме детально описав, що сингулярності, подібні до тих, що існують у чорних дірах, можуть бути сформовані в процесі гравітаційного колапсу при загибелі масивних зірок. А у свою чергу Рейнхард Гензель і Андреа Гез очолювали групу астрономів, якій вдалося виміряти параметри еліптичних орбіт навколо радіоджерела у центрі нашої Галактики, Стрільця А*, та підтвердили існування надмасивної чорної діри масою близько чотирьох мільйонів сонячних. Так Нобелівський комітет фактично відзначив теоретичне та експериментальне підтвердження існування таких об’єктів у Всесвіті.

«Ще вищі енергії та ще менші масштаби». ЦЕРН визначився із пріоритетами фізики частинок 2020-2026

Через обмеження, викликані пандемією COVID-19, схвалення програми щодо того, куди повинна рухатися фізика частинок в період з 2020 по 2026 роки, перенесли на червень та в онлайн. Втім, Рада ЦЕРНу все ж визначилася із пріоритетами. У планах організації є продовження роботи Великого адронного колайдера із підвищенням його світності — «слід використати весь фізичний потенціал ВАК». Однак, головним пріоритетом вважається створення електронно-позитронних фабрик Хіггса. В самому ЦЕРНі є два конкуруючі проєкти таких фабрик: FCC-ee і CLIC, втім, конкретно у стратегії про якийсь один не сказано. Також організація «повинна дослідити» технічну та фінансову доцільність майбутнього адронного колайдера з енергією центра мас не менше 100 електронвольт. ЦЕРН не забуває і про нещодавні обіцянки Японії побудувати електронно-позитронний Міжнародний лінійний колайдер(ILC) та додає, що «хотіла б співпрацювати» у разі відновлення проєкту. Тож фізика частинок майбутнього — це ВАК, бозони Хіггса та заклики до роботи над мюонним колайдером, високопольовими магнітами, високотемпературними надпровідниками, прискорювачами плазмового поля та іншими високотехнологічними структурами.

Високосвітний ВАК / CERN

Високосвітний ВАК / CERN

Великий адронний колайдер з відпустки побачив відхилення від Стандартної моделі та взаємодію слабких бозонів

На щастя тимчасова зупинка колайдера, запуск якого відкладають ще на рік через пандемію, все ж не заважає фізикам досліджувати частинки на основі даних, які ВАК набрав раніше. Так цього року ми помітили слабку взаємодію W-бозонів під час зіткнення двох фотонів серед даних експерименту ATLAS напрацьованих в 2015-2018 роках. Це відкриття на колайдері на нового способу дослідження електрослабкої взаємодії може відкрити дорогу для нових досліджень з перевірки Стандартної моделі і пошуку Нової фізики. Також фізики знайшли відхилення від Стандартної моделі в розпаді зарядженого B-мезона на каон-мюонну пару в рамках експерименту LHCb. Експеримент аналізує на ВАК геометрію і кінематику розпадів частинок, розбіжність між теоретичними передбаченнями і реальними параметрами яких вони помітили у B-мезонах.

Перше експериментальне підтвердження одного з ефектів загальної теорії відносності

У загальній теорії відносності гравітація є результатом впливу маси на полотно простору-часу. Однак, що як об’єкти, наприклад зірки, будуть обертатися? Так з’являється один з ефектів загальної теорії відносності для надмасивних об’єктів, ефект Лензе — Тіррінга, що проявляється в появі додаткових прискорень, які призводить до зміни площини орбіти об'єкта. Тобто об'єкти, які обертаються, будуть «тягнути за собою» простір-час. Але як упевнитися, що справа саме в ефекті Лензе — Тіррінга? Для цього вчені обрали зоряну систему з пульсара та білого карлика, параметри руху об’єктів якої можна було точно і незалежно виміряти. Результати аналізу двадцятирічних спостережень за системою PSR J1141-6545. Вимірювання радіоімпульсів від пульсара показали, що параметри його орбіти змінюються у часі, а моделювання підтвердило, що це було б можливо лише за умови впливу ефекту Ленз — Тіррінга з боку білого карлика на орбіту пульсара. Це перша прецесія Лензе — Тіррінга, яку помітили у зоряній системі, що підтверджує гравітаційні ефекти теорії відносності.

Нейтронна зірка, що обертається навколо білого карлика у зображенні художника. Швидке обертання білого карлика тягне за собою саме полотно простору-часу навколо, викликаючи зміні положення орбіти у просторі. OzGrav ARC Centre of Excellence / YouTube

Фізики обійшли температурні обмеження надпровідників і квантових комп’ютерів

Вивчення явища надпровідності — одна з тенденцій останніх років у фізиці. Воно полягає у протіканні електричного струму у твердому тілі без втрат, тобто за нульового електричного опору. Сьогодні фізика вже знає, що надпровідність можна спостерігати не лише за дуже низьких температур, а і за високих, однак досі кімнатних температур надпровідність не досягала. Американським фізикам вдалося спостерігати надпровідність у кристалі на основі сірководню і метану за температури 15 градусів Цельсію, хоч поки і лише за тиску 1,4 мільйона атмосфер. Докладніше про надпровідні властивості можна почитати у нашій новині про випадково відкритий фізиками новий тип надпровідників. А от для квантових комп’ютерів вдалося підвищити робочу температуру до 1,1 кельвіна для двокубітних операцій, що може здешевити квантові обчислення. Квантові точки в кремнії досягли часу когерентності в 2 мікросекунди та надійності на рівні 99,3 відсотка.

Вчені обмежили швидкість звуку і точність часу

Вчені розрахували що, якщо помножити швидкість світла на квадратний корінь добутку сталої тонкої структури(α) та відношення маси протона до маси електрона, то можна вирахувати максимальну швидкість поширення звуку. За їхньою формулою, це 36 кілометрів на секунду, у 8 тисяч разів менше, ніж вважалось раніше, причому вони також дослідили швидкість поширення звуку в 133 матеріалах, де вона не сягнула теоретичної верхньої межі навіть в найтвердішому — алмазі. А от вчені з Пенсільванського університету побудували теоретичну модель для оцінки фундаментального періоду часу і обмежили його 10⁻³³секунди, а тобто сказали, що фізичні годинники не зможуть досягти точності вищої за це значення. Втім, поки що найточніший годинник все одно наближається лише до значення 10⁻¹⁸.

Магнітне поле змогло втримувати плазму протягом 20 секунд

24 листопада 2020 року фізикам на південнокорейському токамаці KSTAR вдалося досягти показника в 20 секунд для плазми з температурою 100 мільйонів кельвінів, що є світовим рекордом. До 2021 року планується заміна вуглецевих внутрішньокамерних елементів токамака на вольфрамові і до 2025 року дослідники хочуть досягти часу утримання гарячої плазми протягом 300 секунд.

National Fusion Research Institute (NFRI) 

National Fusion Research Institute (NFRI)

світності
Важлива інструментальна характеристика коллайдера: чим вона більша, тим частіше відбуваються зіткнення частинок з зустрічних пучків.
фабрик Хіггса
хіггсовський бозон - елементарна частинка, що виникає внаслідок спонтанного порушення електрослабкої симетрії. ВАК - це машина для відкриття, але не для вивчення бозона Хіггса, тому потрібні оптимізовані установки, що називаються «фабриками» частинок.
W-бозонів
W-бозони є носіями слабкої взаємодії - однієї з чотирьох існуючих нарівні з електромагнітною, сильною і гравітаційною.