Фізика
Фізика

Квітнева фізика. Антиматерія у вантажівках, котики Шредінгера у квантовому комп’ютері та новий ізотоп урану

Ми зібрали найцікавіші новини з фізики за квітень та розібралися, чому антиматерію вирішили перевозити вантажівками, як коти Шредінгера можуть вберегти квантові комп’ютери від помилок та чим магнітний момент мюона загрожує Стандартній моделі.

Детектор одного з експериментів для пошуку темної матерії XENON1T, прихований у підземній лабораторії Гран Сассо в Італії / XENON Collaboration

Детектор одного з експериментів для пошуку темної матерії XENON1T, прихований у підземній лабораторії Гран Сассо в Італії / XENON Collaboration

Антиматерію вперше охолодили лазером

Можливість поекспериментувати над чимось відомими і добре вивченими методами, значно підвищує надійність досліджень. Втім, для антиматерії все значно ускладнюється тим, що прямі експерименти з нею проводити технічно дуже складно, бо при контакті зі звичайною вона просто анігілює. А антиматерія дуже цікавить фізиків — кудись же вона мала подітися, якщо після Великого вибуху її мала утворитися однакова кількість зі звичайною. Тож можливість вивчати антиводень, так само як і водень, безумовно стала б у нагоді.

Художнє зображення вивільнення атому антиводню після того, як його вдалося втримати близько 16 хвилин у пастці. Chukman So / CERN

Художнє зображення вивільнення атому антиводню після того, як його вдалося втримати близько 16 хвилин у пастці. Chukman So / CERN

Рівняння Дірака, об’єднавши спеціальну теорію відносності із квантовою фізикою, подарували нам і антиматерію — частинок-партнерів елементарним, але з оберненими знаками зарядів. Наприклад, для електрона повинен бути «антиелектрон» або позитрон, ідентичний у всьому, але з позитивним електричним зарядом. Для досліджень вчені зазвичай використовують антиводень, бо його легко «зібрати» із антипротона та позитрона. Втім, якщо з вивченням його партнера, водню, проблем не виникає — ми вміємо охолоджувати його та «ловити» у пастку, щоб досліджувати, наприклад, надпровідність або конденсацію Бозе-Ейнштейна, то антиводень лазерному охолодженню поки не піддавався. Поки фізики не вирішили спробувати опромінити його атоми з частотою, нижчою за енергію резонансного переходу в них.

Так нам вперше вдалося пристосувати лазерне охолодження для роботи з антиматерією й зменшити кінетичну енергію атомів антиводню у магнітній пастці так, що у майбутньому вчені планують навіть проводити прямі порівняльні спостереження і з воднем, і з антиводнем одночасно.

Кожна червона точка — змодельована енергія атомів антиводню залежно від часу його прольоту, а синьою лінією відмічені отримані значення енергії під час експерименту. C. J. Baker et al. / Nature, 2021 

Кожна червона точка — змодельована енергія атомів антиводню залежно від часу його прольоту, а синьою лінією відмічені отримані значення енергії під час експерименту. C. J. Baker et al. / Nature, 2021

ЦЕРН вирішив перевозити антиматерію вантажівками

На антиводні ми плануємо перевірити фундаментальні симетрії та дізнатися, чи однакові працюють закони і для нашого Всесвіту, і для його «дзеркального зображення». Чи існує антигравітація? Чи відрізняються частинки чимось, крім заряду? Чому матерії у Всесвіті набагато більше, ніж антиматерії? Однак, хоч ми і навчилися створювати антиматерію (принаймні її атоми), для їхнього життя потрібні особливі умови. Тому їм було суджено залишатися у стінах фабрики антиматерії в ЦЕРН, яка єдина їх і синтезує у великих кількостях. Проте науково-дослідницька рада організації дала зелене світло на розробку проєктів, які зможуть перевезти антипротони вантажівками до інших лабораторій. Буквально у контейнерах, достатньо компактних, щоби вміститися у кузов, і дати змогу поекспериментувати над антиматерією принаймні у сусідній установці від ЦЕРН — ISOLDE.

Маршрут подорожі антиматерії від антипротонного сповільнювача ELENA до установки ISOLDE, де фізики займаються вивченням екзотичних ядер / CERN

Маршрут подорожі антиматерії від антипротонного сповільнювача ELENA до установки ISOLDE, де фізики займаються вивченням екзотичних ядер / CERN

Попереджуючи ваше питання — привезти екзотичні ядра з ISOLDE, щоб дати їм повзаємодіяти із антипротонами є не менш складною задачею, адже ядра з аномально високим числом нейтронів надзвичайно нестабільні (їх нічому втримувати), а тому просто не доживуть до кінцевого пункту поїздки.

Щоб вберегти антиматерію від звичайної та запобігти анігіляції, фізики запропонували об’єднати два види установок — BASE-STEP і PUMA — які у єдиному блоці ловитимуть та накопичуватимуть антипротони. BASE-STEP по суті є охолоджуваною рідким гелієм пасткою Пеннінга всередині надпровідного магніту, яка за допомогою однорідного статичного магнітного поля здатна обмежити рух частинок та втримати їх для зберігання і транспортування. А PUMA втримуватиме антипротони полем надпровідного магніту у вакуумній камері за температури близько чотирьох кельвінів, не дозволяючи антиматерії контактувати зі звичайною. Почати експерименти із екзотичними ядрами та антипротонами планують у 2023 році.

Установка BASE, яка шукає розбіжності між протонами та антипротонами і на базі якої створюють BASE-STEP / CERN

Установка BASE, яка шукає розбіжності між протонами та антипротонами і на базі якої створюють BASE-STEP / CERN

Фізики створили новий ізотоп урану

Китайські вчені синтезували невідомий раніше ізотоп урану — уран-214. У ньому всього 122 нейтрони в порівнянні з 146 нейтронами, які містяться в урані-238 — найпоширенішому у природі (99 відсотків всього урану, який вам зустрінеться, буде ураном-238). Причому це ще на два нейтрони менше за попередній відкритий ізотоп уран-216, тому вчені наголошують на необхідність досліджень нейтронно-дефіцитних ізотопів, погано вивчених на даний момент. Така величезна різниця означає, що ми ще не до кінця розуміємо, які сили формують ядра.

У своєму експерименті автори бомбардували вольфрамову фольгу потужними променями аргону і кальцію, поки через непружні зіткнення ядра атомів обмінювалися протонами і нейтронами, формуючи нові ізотопи. Потім їх «ловили» за допомогою спектрометра важких атомів і ядерної структури SHANS. Новий уран-214 має період напіврозпаду близько 0,52 мілісекунди, що менше за всі попередні отримані «легкі» ізотопи.

Трансмісійна електронна мікроскопія атомів урану. Dr Mitsuo Ohtsuki / Science Photo Library

Трансмісійна електронна мікроскопія атомів урану. Dr Mitsuo Ohtsuki / Science Photo Library

ANAIS не побачив темну матерію, але її запропонували шукати за екзопланетами

Така сама дилема, як і з антиматерією, спіткає і темну — незрозуміло, чому ми її не бачимо. Однак, з нею все набагато складніше, адже докази її існування ми маємо поки лише опосередковані — великі швидкості руху галактик в скупченнях і зірок в галактиках, прискорене розширення Всесвіту та нарешті дані досліджень реліктового випромінювання. Останні взагалі прямо натякають на існування чогось, що нічого не випромінює, не поглинає та майже ні з чим не взаємодіє, бо розбіжності у масі виправляє саме модель, яка говорить про 25 відсотків темної матерії у Всесвіті.

Звісно, що якщо її так багато, то ми мали б її зафіксувати — і експерименти DAMA / LIBRA справлялися з цим завданням з 1998 року. Вони активно постачали дані про коливання сигналів від «зустрічей» Землі з гіпотетичними кандидатами у темну матерію — слабовзаємодіючими масивними частинками, вімпами. З роками важливість результатів DAMA продовжувала зростати, але зростала вона разом із критикою інших вчених. І цього місяця опублікували результати трирічного експерименту, ідентичного DAMA / LIBRA. Висновки ANAIS не дуже втішні — замість того, щоб повторити успіх DAMA, його результати чудово зійшлися з результатами інших експериментів, які також спростували свідчення про вімпи. У коливаннях, які за них приймали, звинуватили радіоактивні ізотопи у складі детектора та пообіцяли перевищити точність розбіжності з DAMA в 3 стандартних відхилення до осені 2022 року, а за продовження вимірювань ще на рік — до 4 сигми.

Налаштування установки — вона працюватиме у підземній лабораторії Канфранк глибоко під Піренеями на півночі Іспанії. ANAIS experiment / Twitter

Однак, не варто засмучуватися — американські фізики запропонували новий спосіб пошуку темної матерії. Детектором «невловимої» можуть стати екзопланети — темну матерію підозрюють у їхньому нагріванні. Так її шукатимуть не звичним методом, за гравітаційною взаємодією із видимою матерією, а за нагріванням екзопланет, яке можна буде зареєструвати за допомогою космічних телескопів нового покоління. Передбачається, що анігіляція частинок темної матерії в центрах важких небесних тіл повинна нагрівати ці об'єкти, причому чим ближча планета до центру галактики — тим більшим буде цей ефект. Ідеальною планетою для такого пошуку може стати яка-небудь самотня планета подалі від своєї батьківської зорі, яка може її нагрівати. У рамках нашої Сонячної системи таким детектором може стати Юпітер — поки у ньому слідів темної матерії не побачили, однак також планують перевірити його більш чутливими телескопами.

Дані про гамма-випромінювання Юпітера, отримані з телескопа «Фермі». Вгорі ліворуч мапа всіх енергетичних подій в околицях на 45 градусів від самої планети, праворуч вони без вкладу Юпітера. Унизу ліворуч зображена різниця між змодельованими та спостережуваними даними, а праворуч — сам Юпітер у даних, які зміг отримати «Фермі». Rebecca Leane and Tim Linden / arxiv.org, 2021

Дані про гамма-випромінювання Юпітера, отримані з телескопа «Фермі». Вгорі ліворуч мапа всіх енергетичних подій в околицях на 45 градусів від самої планети, праворуч вони без вкладу Юпітера. Унизу ліворуч зображена різниця між змодельованими та спостережуваними даними, а праворуч — сам Юпітер у даних, які зміг отримати «Фермі». Rebecca Leane and Tim Linden / arxiv.org, 2021

Магнітний момент мюона вийшов за рамки Стандартної моделі

А от результати двох експериментів з вимірювання магнітного моменту у мюона навпаки зійшлися між собою. Зійшлися настільки, що разом мають вже статистичну точність у розходженні зі Стандартною моделлю у 4,2 сигми. Поки це лише 6 відсотків даних, які в кінцевому підсумку зберуть фізики. Однак вже зараз імовірність того, що результати є статистичними коливаннями, а не взаємодією мюона із непередбаченими Стандартною моделлю частинками становить приблизно 1 до 40 тисяч.

Фізики з Фермілабу, які впіймали ті тисячні долі, на які розходяться експеримент із теорією, впевнені, що подальші дослідження тільки підвищать точність, а також закликають теоретиків до пошуку нових частинок, які зможуть взаємодіяти з лептонами, та розширять Стандартну модель.

Магнітний момент мюона вийшов за рамки Стандартної моделі

А от результати двох експериментів з вимірювання магнітного моменту у мюона навпаки зійшлися між собою. Зійшлися настільки, що разом мають вже статистичну точність у розходженні зі Стандартною моделлю у 4,2 сигми. Поки це лише 6 відсотків даних, які в кінцевому підсумку зберуть фізики. Однак вже зараз імовірність того, що результати є статистичними коливаннями, а не взаємодією мюона із непередбаченими Стандартною моделлю частинками становить приблизно 1 до 40 тисяч.

Фізики з Фермілабу, які впіймали ті тисячні долі, на які розходяться експеримент із теорією, впевнені, що подальші дослідження тільки підвищать точність, а також закликають теоретиків до пошуку нових частинок, які зможуть взаємодіяти з лептонами, та розширять Стандартну модель.

Надпровідне магнітне накопичувальне кільце діаметром близько 15 метрів експерименту Muon g-2 у Фермілабі. Reidar Hahn, Fermilab

Надпровідне магнітне накопичувальне кільце діаметром близько 15 метрів експерименту Muon g-2 у Фермілабі. Reidar Hahn, Fermilab

Amazon вирішив запустити квантовий комп’ютер на котиках Шредінгера

Теоретично квантовий комп'ютер з трьома сотнями кубітів міг би виконати більше обчислень за мить, ніж атомів у видимому Всесвіті. Однак, не менш важливе завдання на шляху до втілення квантових обчислень — корекція помилок. Загалом вина за високу вартість квантових обчислень лежить на необхідності захисту як від звичайних помилок перевороту бітів (коли стан кубіта змінюється з 1 на 0 або навпаки), так і від помилок перевороту фази (коли змінюється знак суперпозиції). Високий рівень помилок звісно можна компенсувати й одним із поширених способів є використання надлишкових кубітів. Однак, може знадобитися більше 1000 таких на кожен корисний «логічний» кубіт. Але якщо комп'ютер буде сам гасити можливі помилки?

Новий підхід Amazon заснований на використанні так званих «котячих станів», які складаються з пар станів кубітів, протилежних один одному, як стани життя і смерті, випробувані котом Шредінгера. Такий комп'ютер дасть змогу уникнути самого частого джерела помилок — «перевертання», коли стан кубіта змінюється з 1 на 0 або навпаки.

Сфера Блоха «котячих кубітів». Парність вказується кольором лінії: синій — парний стан, тоді як червоний — непарний.

Сфера Блоха «котячих кубітів». Парність вказується кольором лінії: синій — парний стан, тоді як червоний — непарний.

Дослідники оцінили, яке обладнання може знадобитися для їхньої стратегії, щоб перевершити класичний комп'ютер в моделі Хаббарда, яка описує сильно взаємодіючі електрони. Вони підрахували, що можуть досягнути квантової переваги перед класичними комп’ютерами в цьому завданні з 32 тисячами надпровідних квантових інтерферометрів (сквідів, SQUID). Їхній підхід робить кубіти більш вразливими до помилок перевороту фази, однак дослідники наголошують, що владнати з одним типом помилок набагато легше, ніж з двома.

надпровідних квантових інтерферометрів
надчутливі магнітометри, використовувані для вимірювання дуже слабких магнітних полів, які можна використовувати в якості кубітів