Физика элементарных частиц

И все-таки они осциллируют!

2014-12-17T21:45:42+03:00

Наблюдения осцилляций нейтрино в канале ν_μ → ν_τ в пучке CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) наконец-то признаны подтвержденными. Впервые удалось достоверно отделить от фона появление таонных нейтрино ν_τ в пучке нейтрино мюонных ν_μ.

Осцилляции нейтрино остаются на сегодняшний день единственным эффектом физики частиц, выходящим за рамки Стандартной Модели и, в то же время, доступным для наблюдения в лабораторных условиях. В настоящее время уже найдено достоверное указание на существование осцилляций в экспериментах с атмосферными, солнечными, реакторными и ускорительными нейтрино. Однако до сих пор в ускорительных экспериментах с длинной базой не наблюдалось появления таонных нейтрино ν_τ в пучке нейтрино мюонных ν_μ.

OPERA¹ стал первым экспериментом по прямому наблюдению появления таонного нейтрино в пучке мюонных путем непосредственного обнаружения τ-лептона, родившегося при взаимодействии мюонного нейтрино с веществом детектора. Факт появления τ-лептона является прямым доказательством существования нейтринных осцилляций.

На фото: Детектор OPERA. Вид сбоку (источник: официальный сайт эксперимента OPERA)

Регистрация тау-лептонов производится с помощью детектора OPERA, состоящего из двух супермодулей. Каждый супермодуль включает в себя сборку из эмульсионных кирпичей, электронные сцинтилляционные детекторы, мюонный спектрометр, позволяющий определять заряд и импульс мюонов. Успешно реализовать эксперимент по прямому наблюдению рождения тау-лептонов позволило использованное беспрецедентно большое количество ядерной фотоэмульсии, являющейся основным детектирующим элементом и обладающей лучшим в настоящее время пространственным разрешением (общая площадь использованной ядерной эмульсии примерно равна площади 8 футбольных полей).

На фото: Система загрузки (модуль)
эмульсионных кирпичей

На фото: Эмульсионный кирпич.

Один кирпич состоит из 57 пластин двойной фотоэмульсии и 56 свинцовых листов «прокладки». Размер кирпича 12.8 × 10.2 см², толщина 7.9 см, вес – около 8 кг. Всего таких кирпичей в двух супермодулях установки – 150 тыс, а суммарная площадь их поверхности составляет 100 тыс. м²

(источник: официальный сайт эксперимента OPERA)

Для сканирования эмульсий эксперимента OPERA на ПАВИКОМе² в ФИАНе был разработан специальный программный пакет. Рассказывает один из участников проекта OPERA, старший научный сотрудник ФИАН Щедрина Татьяна Викторовна:

«В настоящее время к программному обеспечению на комплексах, подобных ПАВИКОМ, предъявляются весьма жесткие требования. Это связано, в первую очередь, с необходимостью проводить измерения с максимально возможной скоростью, в режиме реального времени. Подобная возможность позволяет реализовывать сложные сканирующие системы, способные изменять свои параметры на основании только что отработанных данных, т.н. системы с обратной связью.

Не менее важным требованием является и точная настройка измерительного оборудования. Иначе мы будем получать искажения при обработке данных и, как результат, – ложные данные эксперимента. Чтобы понять требования к точности настройки приведу лишь одно значение для оптической системы микроскопа: требуемая точность определения угла наклона для реконструируемых треков частиц на фотоэмульсионной пластике составляет единицы миллирадиан.

И конечно отдельного внимания заслуживает система обработки изображений. В отличие от обычной фотографии, любое искажение при бинаризации изображения треков может привести к ложным научным выводам. Для отстраивания этой системы было проведено не одно тестовое сканирование, прежде чем было дано "добро".»

Созданная новая система для автоматической обработки ядерных фотоэмульсий позволяет обрабатывать данные в режиме безостановочного сканирования со скоростью до 40 см²/ч, при этом осуществляя восстановление треков частиц с наклоном до 45 градусов. Восстановление треков в широком диапазоне углов позволяет снизить фон в наблюдениях OPERA. А предложенный в ФИАН совершенно новый подход к обработке изображений на ПАВИКОМ, реализованный в соответствующих программных модулях, позволил довести скорость обработки одного кадра до 2 мс. Для сравнения, в стандартном программном пакете обработки данных эксперимента OPERA на полную обработку одного кадра требуется 7,3 мс.

На фото: Установка ПАВИКОМ-3

Однако наиболее существенна разработка новых методик выделения событий, инициированных тау-лептонами. Рассказывает Татьяна Викторовна:

«Одна из проблем, с которой пришлось столкнуться в ходе эксперимента OPERA – выделение событий, связанных с таонными нейтрино, из общего фонового потока. Самым опасным источником фона для наблюдения таонных событий являются СС-взаимодействия ν_μ с присутствием очарованных адронов. Эти фоновые события также содержат трек короткоживущей частицы и по топологии сходны с таонными. Около 95 % очарованных событий можно идентифицировать с помощью электронных детекторов. Тем не менее, оставшиеся 5 % неправильно идентифицированных очарованных событий являются основным источником (~ 80 %) фона для наблюдения взаимодействий ν_τ. Поэтому мы стали разрабатывать методику отделения очарованных событий от таонных.»

Ранее исследователи международной коллаборации уже ставили вопрос об оценке возможности интерпретации результата эксперимента как инициированного исключительно фоном – т.н. «гипотеза только фона», – чтобы такие результаты можно было исключить из общей статистики наблюдений. Фиановская методика позволяет делать оценку: насколько хорошо измеренные параметры событий-кандидатов, – предварительно классифицированные как таонные, – соответствуют характеристикам модельных событий. Такая постановка задачи позволяет повысить надежность интерпретации результатов.

Разработанный ФИАН и НИИЯФ МГУ подход многомерной классификации событий, инициированных ν_μ → ν_τ, позволил с высокой степень достоверности утверждать, что в ходе эксперимента OPERA было получено достаточно сильное указание в пользу прямого наблюдения осцилляций нейтрино в канале ν_μ → ν_τ в поставленном эксперименте.

«На сегодняшний день коллаборацией данного эксперимента официально подтверждены уже четыре таких события, хотя обработаны еще не все события-кандидаты, работа продолжается, но уже эти данные позволяют нам говорить о подтверждении гипотезы нейтринных осцилляций, высказанной еще в 50-х годах Б.М. Понтекорво. А этот результат весьма важен не только для физики элементарных частиц и Стандартной Модели, но он может открыть новую эру в исследовании микромира, истории развития Вселенной, решения некоторых проблем в физике Солнца и многое другое» – отметила в заключение Татьяна Викторовна.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

_____________________________________________

¹ Об эксперименте OPERA ФИАН-информ писал ранее. Также более подробную информацию можно узнать на официальных сайтах CNGS и эксперимента OPERA. Назад к тексту

² ПАВИКОМ (Полностью АВтоматизированный Измерительный КОМплекс) – уникальный программно-измерительный комплекс, разработанный в ФИАН и предназначенный для обработки ядерной фотоэмульсии, используемой в различных экспериментах по исследованию космических лучей, энергетических спектров потоков частиц и т.п. Главным его отличием от всех других подобных систем в мире (всего в мире существует около 40 подобных автоматизированных комплексов) и достоинством является универсальность – на автоматизированных установках комплекса обрабатываются данные, полученные с использованием не только ядерных эмульсий, но и пластиковых детекторов, и кристаллов оливинов из метеоритов. Ни одна аналогичная установка в мире не используется для решения столь широкого класса задач.

О ПАВИКОМ мы писали ранее в сообщении «ФИАН-информ». Назад к тексту

Мы видим все насквозь

2014-10-24T10:47:54+04:00

Совместной группой исследователей из ФИАН и НИИЯФ МГУ предложено практическое применение метода мюонной радиографии для исследования внутренней структуры крупных промышленных и природных объектов.

Мюон – удивительная частица. До сих пор неясно, для чего природа его создала, поскольку многие его физические характеристики схожи с аналогичными у электрона, за исключением массы: масса мюона в 207 раз больше массы электрона. Недаром мюон часто называют тяжелым электроном. Благодаря большей массе, пробег и проникающая способность у мюонов в тысячи раз больше, чем у электронов.

Еще одной особенностью потоков мюонов в природе является значительное количество этих частиц. Рождение мюонов происходит во множестве различных процессов, в т.ч. и в процессе взаимодействия первичного космического излучения с атмосферой Земли. Этих мюонов так много, что на поверхность планеты падает 10 000 частиц/(м2 · мин). Благодаря их большой проникающей способности, они могут проходить значительное количество вещества. Максимальная глубина, где регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, – это около 8600 м водного эквивалента, что соответствует примерно 2 км скального грунта. Регистрация мюонов, прошедших через какие-либо объекты, позволяет получить изображение внутренней структуры этих объектов.

«Использование мюонов в качестве просвечивающего пучка любых объектов аналогично рентгенографии: пучок проходит через какой-то объект, и, если плотность в той или иной части объекта будет меньше, то, соответственно, там будет регистрироваться большее количество мюонов, чем в других частях объекта. Преимуществами этого метода являются его неинвазивность и использование природного источника излучения. Здесь отсутствует необходимость в дополнительном искуственном источнике излучения. Метод мюонной радиографии (МР), кроме того, стоит существенно дешевле многих других.

Так, например (см. здесь), в рамках выполнения экологических программ, направленных на снижение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, правительствами некоторых стран ведутся работы по закачке углекислого газа в подземные полости, используемые в качестве резервуаров. Главной проблемой этой технологии является поиск таких полостей. Использование метода сейсмического сканирования земных недр, называемого 4D Seismic Surveying (4SS), для обнаружения полостей, требует установки на громадных морских судах сложной аппаратуры и сейсмического оборудования, что приводит к цене такого исследования порядка 5,5 миллионов фунтов стерлингов. Благодаря использованию мюонной радиографии физикам из Шеффилдского университета удалось кардинально сократить затраты на проведение такой разведки земных недр и произвести сканирование с более высокой точностью и разрешающей способностью, нежели традиционными сейсмологическими методами. Работа финансируется Британским министерством энергетики и климатических изменений (Department of Energy and Climate Change, DECC) и компанией Premier Oil, методику сканирования земных недр методом МР для этих целей проверили в тестовом эксперименте в одной из самых глубоких шахт Великобритании - Boulby» – поясняет руководитель проекта, заведующая Лабораторией элементарных частиц ФИАН Полухина Наталья Геннадьевна.

Залогом успеха экспериментов по мюонной радиографии (МР) является то, что о мюонах – их физические характеристики, параметры угловых распределений и т.п. – за годы научных исследований накопилось достаточно информации. Исторически сложилось так, что первые исследования с применением мюонной радиографии были проведены в археологических изысканиях. Резкое возрастание объема исследований по методике МР в мире в последнее время связано, главным образом, с возможностью использования ядерных фотоэмульсий для работ по МР, обработка которых стала полностью автоматизированной благодаря созданию новых высокотехнологичных автоматизированных сканирующих систем. Группа из ФИАН и НИИЯФ МГУ тоже использует для МР именно ядерные фотоэмульсионные детекторы производства компании «Славич», обладающие целым рядом неоспоримых достоинств.

Прежде всего, ядерные фотоэмульсионные (ЯФЭ) детекторы обладают высоким пространственным разрешением – 1 мкм, которое пока не может достигнуть ни один из современных детекторов. Такое пространственное разрешение позволяет восстанавливать «картинку» – структуру исследуемого объекта – с очень высокой степенью точности. К тому же ЯФЭ-детекторы информационно очень емкие, легко транспортируются, просты в обращении, не требуют дополнительного энергоснабжения, электронных считывающих устройств и дежурства оператора во время набора статистики. Используемые в настоящее время ЯФЭ-детекторы представляют собой чаще всего набор пластин площадью 10 × 12 см, т.е. величиной с ладонь. Детектор из нескольких таких пластин ЯФЭ (суммарной толщиной до 0.5 см) по угловому разрешению превосходит электронный телескоп с базой ≥ 1 м, а стоимость одной такой пластины не превышает тысячи рублей. Благодаря сочетанию таких свойств в настоящее время проводятся весьма успешные эксперименты по развитию и использованию методов МР на основе ЯФЭ в геологоразведке, промышленности, вулканологии и др. областях.

Группа ФИАН-НИИЯФ провела целый ряд экспериментов по внедрению методов МР-сканирования. В первых тестовых экспериментах целью было подобрать наиболее оптимальные условия экспозиции ЯФЭ-детекторов для различных глубин их закладки и параметры «сборок» из ЯФЭ-пластин, отладить программное обеспечение для восстановления пространственной структуры исследуемых объектов и многое другое. В 2012 и 2013 гг. были осуществлены тестовые измерения на двух крупных (23 т и 40 т) металлических конструкциях, а недавно завершился «натурный» эксперимент. В качестве такого натурного объекта исследовательской группе ФИАН-НИИЯФ МГУ было предложено сканирование сейсмографической шахты Геофизической службы РАН (г. Обнинск) глубиной около 30 метров. Результаты четырехмесячного эксперимента с ЯФЭ-детекторами: измерена разность потоков мюонов на поверхности и на глубине 30 метров, согласующаяся с результатами модельных расчетов; «обнаружены» конструктивные особенности шахты, в том числе – наличие лифтового «колодца» и специфика расположения шахты в толще грунта – наличие различных по плотности слоев (земля и мраморовидный известняк). Этот успешный опыт еще раз подтвердил состоятельность предлагаемой методики МР-сканирования.

На фото: Пример изображения фотоэмульсии, через которую прошли заряженные частицы.
Красными кружками показано движение трека мюонов
(предоставлено Полухиной Н.Г.)

В настоящее время российские исследователи ведут переговоры об использовании метода МР для исследования промышленных объектов в различных регионах России. В частности, для мониторинга состояния соляных шахт месторождений, разрабатываемых в г. Соликамске и г. Березняки Пермского края. Поскольку ЯФЭ-детекторы позволяют отслеживать уплотнения и места разрежений в грунте, подобный мониторинг позволит предупредить различные техногенные катастрофы.

«Вопрос поиска и разработки полезных ископаемых имеет важное стратегическое значение, и тут вряд ли возможно какое-то привлечение иностранных технологий. В России технология МР есть, и надо браться за ее применение, за внедрение результатов, полученных в ходе фундаментальных исследований, в прикладные работы.

Например, для поиска тех же углеводородов: совсем не одно и то же – пробурить несколько десятков скважин или только одну и, с помощью ЯФЭ-детектора, заложенного в нее, просмотреть тот же объем земной поверхности. Кроме того, при бурении скважин бывает, что углеводородный слой «проскочили», забив его песком, а вот МР-сканирование покажет его наличие.

Очевидно, что применение метода МР для исследования крупных промышленных и природных объектов для нашей страны должно иметь большое значение. Мы надеемся, что этот метод найдет широкое применение,» – отметила в заключение Наталья Геннадьевна.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

Результаты расчетов взаимодействия смешанных частиц решили проблемы темной материи

2012-07-15T17:06:21+04:00

Сразу две проблемы описания поведения темной материи решают модельные расчеты взаимодействия смешанных частиц, произведенные профессором Михаилом Медведевым из Университета Канзаса (США). Это проблема каспов - расхождения плотности холодной темной материи в центре гало, а также проблема несоответствия количества наблюдаемых темных гало тому, что сулит Космологическая Стандартная Модель.

Элементарные частицы в одном из приближений делятся на простые или однокомпонентные частицы, например, электрон, и на более сложные или смешанные, например, нейтрино. Когда рождается нейтрино, про него можно сразу сказать – родилось ли электронное, мюонное или тау-нейтрино. Но ответить на вопрос – какова масса родившейся частицы - гораздо сложнее. Нейтрино невозможно приписать определенную массу, она выражается в вероятностном соотношении трех массовых состояний. Идею комбинированных нейтрино и их осцилляций (превращений из одного в другое) предложил в 50х годах советский физик итальянского происхождения Бруно Понтекорво.

«Смешанные частицы представляют собой комбинацию нескольких массовых состояний, так как их поведение описывается волновой функцией. Представим, что у нас есть оси х и у, в одном случае частица имеет одну массу, и она отложена по одной оси, в другом случае – другую, которая откладывается по другой оси. Так происходит и в случае с нейтрино», - комментирует Михаил Медведев.

В целом масса нейтрино очень мала, поэтому они всегда рождаются релятивистскими. При этом практически все аналитические задачи о поведении нейтрино и других частиц подобного типа, когда они движутся с релятивистскими скоростями, уже решены. Но вопросом, что будет, если нейтрино или какая-то другая смешанная частица будет двигаться со скоростями много меньше скорости света, никто не задавался.

Михаил Медведев: «В этом случае массовые состояния будут двигаться с разной скоростью и физически друг от друга разбегутся. И если в то время, когда эти состояния находятся в разных местах, произойдет взаимодействие, например, рассеяние в результате столкновения с другой частицей, то вследствие него создадутся все три состояния. То есть произойдет конверсия из одного состояния во все остальные».

Так происходит потому, что в результате взаимодействия волновая функция частицы переходит из массового состояния в состояние с определенным «ароматом», как если бы рождалась новая частица, (в случае нейтрино «аромат» определяется тем, какое это нейтрино - электронное, тау- или мюонное) – а это снова три массовых состояния. И путем последовательных столкновений - «рассеять - подождать пока разбегутся» - можно полностью изменить начальный набор массовых состояний.
Логическое продолжение полученного вывода следующее. Дело в том, что многие кандидаты в частицы темной материи являются смешанными. Например, нейтралино – смесь четырех составляющих (зино, фотино и двух типов хиггсино), есть и другие, более экзотические примеры. И если частицы темной материи хоть немного друг с другом сталкиваются, то картина крупномасштабной структуры Вселенной несколько изменится.

«Все, что находится на больших масштабах - галактики, их скопления, большие филаменты, которые любят изображать на картинках, все это останется на месте. Изменится структура Вселенной на очень маленьких масштабах - порядка килопарсека. И эти изменения вполне могут решить основные на сегодняшний день проблемы холодной темной материи», - делится профессор Медведев.

Первая проблема связана с тем, что согласно Космологической Стандартной модели, количество темных гало (а конкретно, темных гало малой массы), то есть гравитационно-связанных комков, которые являются основой для формирования карликовых галактик, примерно в 30 раз больше, чем может быть идентифицировано на сегодняшний день. Если частицы темной материи как минимум двухкомпонентны, и при этом возможны их столкновения, то теоретическое количество темных гало значительно уменьшается, приближаясь к наблюдаемому.

Сравнение профилей плотностей 100 гало темной материи, полученных исходя из модели холодной темной материи (слева), и холодной двухкомпонентной темной материи (справа). Видно, что профили плотности в центре гало на правом графике более плоские, т.е. практически не содержат каспов.

Вторая проблема носит название проблемы каспов. Она заключается в том, что согласно расчетам, плотность темной материи в центре гало стремится к бесконечности, образуя на соответствующем графике так называемый касп (от англ. cusp — острый выступ), в то время как во Вселенной каспы не обнаруживаются. В случае со столкновительной многокомпонентной темной материей профиль плотности центра галактик получается значительно более плоским.

Распределение гало темной материи по максимально возможным в них скоростям вращения (такие скорости характеризуют размер и массу темных гало). Черная кривая соответствует стандартной модели однокомпонентной холодной темной материи, синяя – двухкомпонентной. Розовые точки – количество наблюдаемых карликовых галактик в так называемой Местной Группе – группе галактик ¬- ближайших соседей нашей галактики Млечный Путь.

О решении проблем описания поведения холодной темной материи профессор Михаил Медведев рассказал во время Гинзбурговской конференции по физике, которая прошла в ФИАНе с 28 мая по 2 июня 2012 года.

АНИ «ФИАН-информ»

ЧЕРЕНКОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ГЛЮОНОВ

2011-09-15T15:21:00+04:00

Недавняя работа специалистов Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) показала, что в эксперименте на коллайдере в условиях высоких энергий протон-протонные соударения начинают в некоторых отношениях напоминать ядро-ядерные.
Это позволяет надеяться на то, что в ближайшее время анализ данных экспериментов на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider, LHC) даже в протон-протонных взаимодействиях сможет подтвердить ожидаемое наличие черенковского излучения глюонов, которое, возможно, наблюдалось на ускорителе RHIC в ядро-ядерных столкновениях. Работу комментирует ведущий научный сотрудник сектора высоких энергий ФИАН доктор физико-математических наук Андрей Леонидов.

В работе исследовались специальные характеристики ультрарелятивистских протон-протонных взаимодействий при энергии 7 ТэВ. Оказалось, что они напоминают аналогичные характеристики взаимодействий ядер на LHC. Обычно считается, что в результате ядро-ядерных соударений при высоких энергиях на короткое время возникает очень плотное и сильно взаимодействующее вещество. Условно говоря, это плазма. Предполагается, что при распространении через такую плазму быстрых цветных частиц может возникать черенковское излучение глюонов, подобное черенковскому излучению фотонов, возникающему когда заряженная частица движется в среде с постоянной скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде. А может ли этот эффект проявиться и в протонных столкновениях при очень высоких энергиях?

Черенковское излучение — впервые это явление обнаружено С.И. Вавиловым и П.А. Черенковым в ФИАНе в 1934 году и теоретически объяснено И.Е. Таммом и И.М. Франком в 1937 году. В 1958 году сотрудники института П. А. Черенков, И. Е. Тамм и И. М. Франк были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие и истолкование эффекта Вавилова-Черенкова». Эффект заключается в том, что заряженная частица, которая движется в среде с постоянной скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде, начинает излучать свет. Эта работа привела к развитию сверхсветовой оптики, нашедшей широкое применение во многих областях, в частности в физике плазмы. Излучение Черенкова широко используется в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей. Черенковские счетчики применяются практически во всех современных детекторах частиц высоких энергий.

Говорит Андрей Леонидов: «Черенковское излучение глюонов — очень крупная и интересная тема, которая нашла экспериментальное подтверждение. Это тема для ФИАНа особенная, поскольку все участники открытия 30-х годов работали в ФИАНе.
Довольно давно, еще в 1979 году, доктор физико-математических наук И. М. Дремин предположил, что возможно черенковское излучение глюонов, то есть сильно взаимодействующих частиц, аналогичное черенковскому излучению фотонов. Было высказано предположение, что некоторые события сильных взаимодействий в космических лучах демонстрируют кольцевую структуру, характерную для черенковского излучения. Одно из таких событий было обнаружено в фиановских экспериментах.
И вот, по прошествии многих лет, в эксперименте на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории такая кольцевая структура была обнаружена в ультрарелятивистских ядро-ядерных взаимодействиях. В проекции на диаметр кольца она проявляется в виде двух максимумов, как это было продемонстрировано еще П. А. Черенковым. Теоретическое описание аналогичного двугорбового распределения, наблюдавшегося на RHIC, позволяет определить ядерный показатель преломления, что и было сделано в работе И. М. Дремина, М. Р. Киракосяна, А. В. Леонидова и А. В. Виноградова.
А недавняя наша работа с М. Ю. Азаркиным и И. М. Дреминым фактически посвящена вот чему. Энергии коллайдера настолько велики, что протон-протонные соударения начинают в некоторых отношениях напоминать ядро-ядерные. В них рождается очень много частиц, и некоторые характеристики заставляют предположить, что физика протон-протонных соударений становится более коллективной — в таких соударениях имеется настоящий коллективный эффект, похожий на те, которые наблюдаются в ядро-ядерных. Что это значит? Существуют процессы — например, такие, как фотоэффект, — которые связаны с индивидуальным фотоном. А если же этих фотонов очень много, они образуют знакомое электромагнитное поле. И вот это поле —коллективное свойство всех фотонов, не сводимое “просто” к сумме их индивидуальных свойств. Язык физики здесь начинает меняться. Например, гораздо удобнее характеризовать вещество температурой, а не следить за скоростью каждой молекулы или скоростью ее колебаний. Так же и здесь — фактически уже невозможно следить за судьбой каждого отдельного глюона. Естественно, коллективные эффекты здесь связаны уже не с электромагнитными полями, поскольку речь идет о сильных взаимодействиях, а с глюонными сильными полями.
Предыдущее исследование базировалось на данных коллайдера RHIC. А сейчас мы с нетерпением ждем результата анализа с Большого адронного коллайдера, где уже получены данные как по протон-протонным взаимодействиям, так и по соударениям тяжелых ионов. Посмотрим, что покажет их обработка, есть ли там кольцевые структуры.
Замечательно, что эта традиционная для нашего института тематика, в которой, начиная с 30-х годов, работали все поколения ученых ФИАНа, получила такое развитие».

АНИ «ФИАН-информ»

Как происходит грозовой разряд

2011-06-15T14:29:09+04:00

Механизм возникновения молнии хранит в себе множество тайн. Однако благодаря работам академика Александра Викторовича Гуревича часть из них удалось разрешить, приоткрыв завесу таинственности и объяснив все стройной, но очень тонкой физикой. О том, какие еще загадки кроет в себе механизм грозового разряда, где искать на них ответ, и какие для этого нужны инструменты, агентству «ФИАН-информ» рассказал сам академик Гуревич.

То, что молния есть не что иное, как электрический разряд, было показано еще в середине 17 века в работах Бенджамина Франклина. Однако после создания теории электричества и изучения явлений разряда в газах возникла новая загадка: разряд молнии в атмосфере возникает при электрических полях, интенсивность которых на порядок меньше, чем следует из лабораторных экспериментов по пробою воздушной среды. Эту загадку и разрешил в конце 20-го века Александр Гуревич, сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. Это решение основано на открытом им эффекте пробоя на убегающих электронах. Именно этот эффект позволяет лавине быстрых электронов ускоряться в значительно меньших электрических полях по сравнению с теми, что требуются для статического пробоя воздушного слоя.

«Суть теории убегающих электронов, - рассказывает Александр Викторович, - заключается в том, что электроны с энергией от 1 кэВ, под действием электрического поля могут ускоряться в газе, ускорение происходит от кэВа до МэВа. То есть быстрые электроны движутся не как обычные, а особым образом ускоряются, но именно при наличии газа. А в 1992 году, когда появились первые работы о наблюдении гамма-излучения в атмосфере, наша группа разработала теорию лавинообразования убегающих электронов, то есть они не просто убегают, а образуют при этом лавину, вот это и называется пробоем на убегающих электронах».

Александр Викторович и его ученики (перечислить всех довольно сложно, они раскиданы по стране и миру, в ФИАНе это Кирилл Зыбин, Владимир Рябов, Алексей Наумов, Александр Чубенко, Галина Митько и др.) не только создали теорию явления, академик Гуревич стал руководителем целого экспериментального направления, в рамках которого в последние годы проводилось подтверждение предсказаний теории. Для того, чтобы убедиться в правильности таких предсказаний, были проведены и лабораторные, и натурные эксперименты. К натурным относятся работы на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН под Алма-Атой, в горах, где был создан целый комплекс аппаратуры (установка «Гроза») и уже в течение нескольких сезонов проводится одновременная регистрация инициированных космическими лучами широких атмосферных ливней (ШАЛ), а также гамма- и радиоизлучения, возникающих во время разряда молнии.
Гамма-излучение во время грозы наблюдается как в воздушных экспериментах (на самолетах, шарах-зондах, космических аппаратах), так и с помощью наземной аппаратуры. Все эти наблюдения в соответствии с длительностью регистрации событий можно разделить на два класса. Один класс использует короткое время записи длительностью около миллисекунды и меньше – это процессы с временным разрешением в субмикросекундном диапазоне. Второй класс наблюдений использует более длительное время записи - около минуты, это субсекундные процессы. На Тянь-Шаньской станции измерения гамма-излучения производятся в течение всего времени грозового разряда (в среднем это 0,1-1 сек) на высоте от 3340 до 3880 м над уровнем моря.

«Сейчас важно не просто наблюдать во время атмосферного разряда большое количество гамма-излучения, то есть большое количество быстрых электронов, но и отождествлять его с атмосферным разрядом. Не так давно в США наблюдали гамма-излучение продолжительностью порядка 100 мкс перед самой молнией, когда она по идее уже подходит к земле. Мы сейчас наблюдаем 100-600 мс (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375960111002933 ) – это на 3 порядка дольше, то есть фактически мы видим гамма-излучение в течение всего атмосферного разряда. Из этого можно сделать вывод, что практически все процессы в атмосферном разряде сопровождаются большим количеством быстрых электронов», - делится результатами Александр Викторович.

В физике, как и во всякой науке, люди занимаются как тщательным анализом данных, «очищая» их от «посторонних» примесей и выделяя «чистый» эффект, так и, напротив, синтезом самых разных эффектов, описывающих природные процессы. В настоящее время Александр Гуревич, пожалуй, единственный человек в мире, который в наиболее полной мере синтезирует знания о природе грозового разряда. Выдвинув идею пробоя на убегающих электронах, создав теорию этого эффекта, и запустив целую серию экспериментальных исследований разрядов в атмосфере (в том числе спутниковых, на конец 2011 года запланирован запуск специального спутника – «Чибис», который будет собирать данные о грозовых явлениях «сверху»), сейчас академик Гуревич работает над комплексной моделью явления. Свою задачу он видит в том, чтобы согласовать данные тянь-шаньских экспериментов с данными экспериментов лабораторных и учесть все возможные факторы. Например, экспериментальные данные, полученные в разные времена года, отличаются, и надо понять, какие факторы несут ответственность за это отличие. Таких вопросов возникает очень много. Попытка максимально широкого охвата большого количества процессов, концентрирующихся в одном явлении, делают рассказ Александра Викторовича очень интересным:

«Грозовой разряд происходит так: у вас есть облако, оно заряжено отрицательными ионами, их много, 1019 штук дает 1 Кулон электрического заряда. И вот в облаке примерно 10 Кулон на км2. Тогда поле создается примерно то, которое мы и видим в эксперименте. Например, если облако протяженностью 5 км, значит, разряд будет 300 Кулон. Это электрическое поле в определенных условиях должно индуцировать достаточную проводимость в этом облаке, иначе вы просто не сможете этот заряд передать. Возникает такой тоненький шнур диаметром всего несколько миллиметров, прогретый до температуры 3500 градусов, достаточной для проводимости. А иначе излучение будет такое сильное, что вы не сможете подать в него энергию.
Однако электрический заряд настолько велик, что он не может поместиться в столь тонком шнуре, и разряд, который возникает «по следу» этого шнура, происходит в канале диаметром примерно 5 метров. Движение этого заряда от облака к облаку или от облака к земле происходит в несколько стадий, как бы ступенчато, тот заряд, который сидел в облаке на каплях, переносится на ионы воздуха, а впереди движется тонкий шнур-лидер. И когда он дойдет до другого облака или до Земли, выходит встречный лидер, они встречаются, и происходит вспышка. Вся накопленная энергия примерно за 50 микросекунд переходит в излучение. Мы видим вспышку молнии, температура достигает примерно 20 тысяч градусов в таком канале. Процесс продвижения лидера длится, условно, минута километр, с такой скоростью эта штука ползет примерно 10 секунд от облака до Земли. А сам разряд происходит за 50 микросекунд, скорость молнии получается 108 м/с.
Лидер - это такая штука, которая переносит заряд и распределяет его в пространстве между, допустим, одним и вторым облаком, а после этого происходит сжигание уже самого разряда. В процессе движения лидера, как я считаю, и возникает это сильное электрическое поле, в котором могут ускориться и размножиться электроны, необходимые для продолжения движения лидера. Это ускорение электронов сопровождается излучением в самых разных спектральных диапазонах, от радио- до гамма-.»

Сбор данных об этих излучениях, особенно о возникающих в атмосфере гамма-всплесках, и позволил получить тот материал, над которым в настоящее время работает Александр Гуревич. Построение развитой модели грозового разряда позволяет ставить все более изощренные и детальные задания экспериментаторам:

«Мы хотим зарегистрировать одновременно источник гамма-излучения и радиоизлучение, причем не только прямой радиосигнал, но и отраженный от Земли, тогда мы сможем однозначно определить их источник, то есть хотим зарегистрировать сигналы не только от самого заряда молнии, но и от лидера. Помимо этого хотелось бы определить, когда достигается максимальное поле и в каком месте. Также важно, чтобы одновременно измерялись еще ультрафиолет и низкочастотное излучение, они также должны дать необходимые детали будущей модели, которая еще никому не известна».

На наших глазах происходит синтез нового знания о весьма существенном природном явлении. Опора на фундаментальные закономерности позволяет строить адекватную модель, которая будет иметь весьма важные практические приложения. Чем мощнее школа, тем более широкие обобщения могут позволить себе ее участники. Александр Викторович считает себя учеником Виталия Лазаревича Гинзбурга, хотя опубликованная совместная работа у них всего одна.

«Совсем недавно еще, за пару лет до смерти, Гинзбург мне звонит: «Алик, могу ли я Вас называть своим учеником?» Я говорю: «Можете, конечно, Виталий Лазаревич, я и есть Ваш ученик». Или вот другой разговор, он позвонил: «Вы знаете, Алик, я к Вам со временем отношусь все лучше и лучше». Я ему: «Виталий Лазаревич, я к вам тоже», - смеется Александр Викторович. - У него действительно это было искренне...».

АНИ «ФИАН-информ»

Получены доказательства реализации пробоя на убегающих электронах в грозовой атмосфере

2010-04-08T16:03:22+04:00

В начале 2000-х годов группой ученых из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) под руководством академика Александра Гуревича было теоретически показано, что одним из основных движущих механизмов грозового разряда является пробой на убегающих электронах. В течение ряда лет была проведена серия экспериментов на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН. Результаты последнего сезона позволяют сделать заключение о хорошем соответствии теоретических предсказаний и экспериментальной реальности.

Исследованием электрического пробоя (или искрового разряда) ученые занимаются уже более двух столетий. Он представляет собой индуцирование электрического разряда в веществе, подробно изучен и нашел широкое применение в технике. Пробой на убегающих электронах (ПУЭ) - это новое физическое явление. В его основе лежит классический механизм взаимодействия быстрых частиц с веществом. Убегающие электроны движутся с такой высокой скоростью, при которой их столкновения с ионами не играют большой роли. Причем, чем выше скорость, тем слабее рассеяние электронов. Освободившись от сил, препятствующих движению, электрон начинает ускоряться электрическим полем. И чем большую скорость приобретают электроны, тем меньшее сопротивление своему движению они испытывают и, следовательно, ускоряются еще больше. Благодаря столкновениям убегающий электрон вызывает целый каскад вторичных убегающих электронов, которые также ускоряются полем. В результате появляется экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов, вместе с которыми растет и число медленных (тепловых) электронов, что приводит к быстрому росту электропроводности среды и последующему пробою.
Самой большой энергией обладают электроны космических лучей. Их столкновения редки, но запас их энергии намного выше энергии ионизации, поэтому после того, как электрон ионизовал, он не выходит из игры, а продолжает двигаться и ионизовать дальше. Поэтому космические электроны - очень хороший источник затравки для пробоя в верхних слоях атмосферы, который мы видим как молнию.
Теория пробоя на убегающих электронах разрабатывалась сотрудниками ФИАНа под руководством академика Александра Гуревича с начала 90х годов, в 2000-х - были определены условия его возникновения в верхних слоях атмосферы. Для подтверждения теории было решено провести серию экспериментов на Тянь-Шанской высокогорной научной станции ФИАН, расположенной вблизи г. Алма-Аты. О том, почему в качестве места проведения экспериментов была выбрана именно эта станция, рассказывает один из членов исследовательской группы Александра Гуревича, доктор физ.-мат. наук Владимир Рябов:

"На Тянь-Шанской станции уникальные природные условия для исследования физики грозового разряда - грозы гремят с мая по ноябрь, а на склонах горных вершин имеется возможность разместить детекторы в несколько ярусов и как раз на расстояниях порядка сотен метров, что позволяет наблюдать пробег убегающего электрона и электронный ливень".

Для комплексного изучения грозового разряда на специально спроектированном для этих исследований комплексе "Гроза" проводится одновременная регистрация инициированных космическими лучами широких атмосферных ливней (ШАЛ) и гамма- и радиоизлучения.

"Интегральный спектр регистрируемых кратковременных вспышек гамма-излучения полностью согласуется со спектром, предсказываемым теорией ПУЭ. Эти короткие импульсы гамма излучения наблюдались одновременно с инициацией источника затравки широких атмосферных ливней. В тот же момент регистрировалось резкое падение фона гамма-излучения, означающее, что произошел электрический разряд облака, вызванный совместным действием ПУЭ и ШАЛ. Однако говорить о безоговорочном экспериментальном подтверждении того, что причиной грозового разряда является именно пробой на убегающих электронах, пока нельзя, нужны дальнейшие исследования. Дело осложняется тем, что явление ПУЭ очень чувствительно к затравочному триггеру, который приносят космические лучи, и наблюдать его не так просто", - делится экспериментальными результатами Владимир Рябов.

Работы ведутся практически непрерывно. В тот период, когда проводить эксперименты не позволяют погодные условия, осуществляется обработка данных детекторного комплекса, так, в настоящий момент завершена обработка данных за сезон 2009 года (период с мая по октябрь), что позволило существенно продвинуться в понимании явления. Также создано значительное количество новых детекторов радио- и гамма-излучения в широком диапазоне частот - как только со склонов гор сойдет снег, за счет этих детекторов будет существенно расширен территориальный охват комплекса "Гроза", что позволит получить еще больший объем информации о происходящих в верхних слоях атмосферы явлениях.
Группа академика А.В. Гуревича - одна из самых продуктивных в современной физике. Спектр достижений настолько широк, что ими вполне можно заполнить отчеты приличного института. Например, широкое распространение получил метод исследования ионосферной плазмы путем воздействия на нее мощных радиоволн. Также среди предложений Александра Викторовича - метод "штопки" озоновых дыр в атмосфере, который вполне могли бы применить правительства стран, особенно страдающих от излишнего ультрафиолетового излучения, например, Австралия (популярное изложение метода). В настоящее время в мире найдется не много людей, столь же глубоко понимающих физические механизмы процессов в верхних слоях земной атмосферы.

АНИ «ФИАН-информ»

Как описать кварки в классической теории

2013-04-30T10:32:08+04:00

Сегодня существует уже множество свидетельств существования кварков в качестве составляющих протонов, нейтронов и многих других элементарных частиц, но наблюдать сами кварки в свободном состоянии до сих пор никому не удавалось. Более того, это считается принципиально невозможным, а само явление удержания кварков называется термином «конфаймент». О новом подходе, предлагающем объяснение конфаймента с неожиданных позиций классической физики, на Гинзбурговской конференции рассказал Вячеслав Муханов, профессор мюнхенского университета Людвига-Максимиллиана и один из самых авторитетных специалистов в области теоретической физики.

Вячеслав Муханов: «Мне удалось показать, что множество явлений, которые потенциально являются квантовыми и трактуются с привлечением квантовой теории поля, можно объяснить и в классической физике. Просто взять нормальные, классические уравнения, начать их решать – и кучу всего открыть, чему приписывалось квантовое происхождение. Более того, эта теория, которую я рассматривал, оказывается еще и очень простой, не надо, например, никакие вакуумные флуктуации рассматривать. В результате, в классической теории это может оказаться существенным для понимания конфаймента»

Хронологически первое свидетельство существования кварков появилось после опытов по рассеянию электронов на протонах. В них было видно, что электроны взаимодействуют с протонами не как с целыми частицами, а рассеиваются на их неких отдельных составляющих. Подобных косвенных свидетельств стало вполне достаточно для развития представлений о кварках, фундаментальных частицах, запертых в крошечных объемах других элементарных частиц с радиусом в 10^-15м. По представлениям квантовой хромодинамики каждый кварк обладает определенным цветовым зарядом, а принципиально наблюдать в природе мы можем лишь бесцветные комбинации таких зарядов – например, протон состоит из «красного», «синего» и «зеленого» кварка. Однако на сегодняшний день в квантовой теории не существует однозначных расчетов, позволяющих описать это явление конфаймента и способных предсказывать какие-либо другие явления, как, например, методы квантовой теории позволяют рассчитывать электронные уровни атома водорода.

«Сейчас конфаймент, к сожалению, не понимается почти никак на фундаментальном уровне. Есть лишь некоторые представления о его природе, но все они обычно априорные. Вот люди хотят, чтобы так было, чтобы струны, например, отвечали за связь кварков в адронах, и все. А вывести из фундаментальной теории этого не удавалось и не удается. Так что пока конфаймент описывается квантовой хромодинамикой в терминах ренорм групп. И при высоких энергиях описывается даже хорошо. А вот в других случаях … Мы предлагаем сделать такой шаг, который поможет понять конфаймент в классических теориях и не отменить квантовые представления, что важно, а подтвердить их» – Вячеслав Муханов

В своем докладе на Гинзбуровской конференции Вячеслав Муханов как раз рассказал о последних его с коллегами работах в этом направлении. С подходов классической теории поля им удалось восстановить структуру ренорм групп и получить свидетельства некоторых чисто квантовых эффектов – конфаймента кварков и размерной трансмутации. Так, в режиме сильной связи было получено, что энергия изолированного внешнего цветного заряда положительна и бесконечна, а, значит, этот заряд не может существовать в таком асимптотически свободном состоянии. Энергия же диполя, составленного из противоположных зарядов оказывается положительной и, напротив, конечной. При этом с увеличением расстояния она бесконечно возрастает, что и объясняет связывание зарядов.

«Цветное состояние с бесконечной энергией – это еще только половина дела. Ведь теперь еще нужно предложить какое-то физическое описание тому, как бесцветные состояния возникают. Как мы с бесконечности, проделывая бесконечную работу, притаскиваем эти окрашенные кварки и составляем из них бесцветные элементарные частицы. Муханов сейчас очень увлечен этой темой и мы ждем новых результатов. При выводе он сделал много правдоподобных предположений, но все эти наблюдения еще нужно проверить – насколько они корректны и оправданны. И если он, так сказать, привлечет внимание сообщества к своим соображениям, то оно, конечно, проверит их уже детальными расчетами» – резюмирует Игорь Тютин, профессор и главный научный сотрудник отделения теоретической физики ФИАН.

Рисунок 1. Диполь или струна? В своем выступлении Вячеслав Муханов использовал аналогию с электрическим диполем (нижняя картинка). При этом поле двух противоположных электрических зарядов на большом расстоянии от них убывает слабо. В струнном же подходе поле обнаруживается только в определенной области (верхняя картинка, поле сильно убывает на больших расстояниях). По-видимому, более реальная картина может возникнуть в более сложных моделях, включающих, в частности, неабелевы янг-миллсовские поля.

М. Петров, АНИ «ФИАН-Информ»14.05.2013

В двумерной системе обнаружен резонанс Хиггса

2013-01-21T10:58:58+04:00

Физики из Института квантовой оптики им. М. Планка, Университета Гарварда и Калифорнийского технологического института экспериментально установили существование резонанса Хиггса в холодных атомах вблизи фазового перехода. Один из участников проекта, приглашённый докладчик Российского Квантового Центра, профессор факультета физики Гарвардского университета Евгений Демлер рассказал об исследованиях с использованием холодных атомов, выступив в преддверии открытия с докладом в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.

Ультрахолодные атомы и оптические решётки сегодня считаются одним из наиболее перспективных инструментов в квантовом моделировании и изучении сверхпроводимости. С помощью моделей с сильно уменьшенными энергиями (до пико- и микрокельвинов) они позволяют имитировать высокотемпературную сверхпроводимость.

Евгений Демлер: «Замечательно в этих холодных атомах то, что мы можем делать модели, которые точно реализуемы в фермионных моделях атомов. И хотя все эффекты измерить пока не удаётся, мы точно знаем, что в этой системе есть модель Хаббарда – это простейшая модель, описывающая взаимодействие частиц в кристаллической решётке и переход между проводящим и диэлектрическим состоянием. Связи между фермионами в ней упрощены до очень локального уровня: просто есть квадратная решётка и фермионы «бегают» из одного узла в другой». Эта модель призвана помочь в изучении причин высокотемпературной сверхпроводимости.

На этот раз в центре внимания учёных оказалось явление, которое играет ключевую роль в фазовом переходе – спонтанное нарушение симметрии. Оно возникает, например, когда магниты в ферромагнитном материале самопроизвольно ориентируются в одном направлении при охлаждении до температуры Кюри. В случае возбуждения системы в ней могут возникнуть коллективные колебания, при которых частицы будут двигаться согласованно. Если коллективное движение происходит в соответствии с принципами теории относительности (точнее, её «эффективной» части, в которой скорость света заменяется скоростью звука, что приводит к существенно более медленной динамике), то возможно появление особого колебания – так называемого резонанса Хиггса. В Стандартной модели, описывающей взаимодействие всех известных частиц, ему соответствует широко обсуждаемый в последнее время бозон Хиггса. Одноимённое возбуждение может появляться и в твердотельных системах, если коллективное движение частиц подчиняется законам теории относительности.

Основная сложность состоит в том, что, как и в физике элементарных частиц, в твердотельных системах резонанс Хиггса быстро затухает до уровня низкоэнергетических возбуждений и поэтому с трудом поддаётся детектированию. Особенно короткий срок жизни он имеет в системах с небольшим числом измерений. До недавнего времени физики и вовсе сомневались в самой возможности обнаружения резонанса в таких структурах. Теперь учёным удалось экспериментально распознать колебание в двумерной системе, причём его существование установлено при крайне низких температурах, в то время как обычно это явление наблюдается на уровне максимальных температур – такие условия создаются, например, в экспериментах Большого Адронного Коллайдера (БАК) в ЦЕРНе.

Экспериментальный прибор в Институте квантовой оптики им. М.Планка –
«оптический стол» с лазерами для охлаждения атомов и оптические и электрооптические
элементы, регулирующие параметры лазерных лучей

Всего исследователи охладили около 500 атомов рубидия до температуры, близкой к абсолютному нулю, и поместили их в оптическую решётку, которая образована из лазерных лучей, пересекающихся под прямым углом. Холодные атомы в ячейках решётки позволили смоделировать различные состояния вещества.

Рассказывает Евгений Демлер: «При углублении отсеков, которое достигается с помощью более интенсивного лазерного света, развивается высокоупорядоченное состояние, известное как «диэлектрик Мотта», – материал такого типа не проводит электричество из-за сильного межэлектронного взаимодействия. В этом случае охлаждённые атомы занимают фиксированное положение в ячейках. При уменьшении глубины ячеек происходит фазовый переход, и вещество превращается в сверхтекучую жидкость».

При этом атомы получают возможность беспрепятственно рассредоточиваться и становятся частью квантово-механической волны, которая распространяется на всю решётку (из-за двумерности её можно сравнить с кожей барабана). Когда равновесие единой квантовой системы нарушается, коллективные колебания могут образовать колебание особого типа – «резонанс Хиггса», который аналогичен вибрации барабанной кожи при ударе.

Исследователи настроили параметры двумерной системы таким образом, что квантовый газ оказался близок к фазовому переходу между диэлектриком Мотта и сверхтекучей жидкостью. Затем глубину ячеек стали изменять на короткое время (порядка нескольких миллисекунд); плавность и непродолжительность модуляции была важна для того, чтобы избежать побочных эффектов и распознать нужный резонанс. С помощью разработанного группой высокочувствительного метода, который позволяет измерять температуру с точностью до одной миллиардной кельвина, учёные обнаружили небольшие пики в распределении температур при определённых значениях частот модуляции. Повышение температуры объясняется тем, что система поглощает больше энергии, когда частота модуляции яркости совпадает с частотой колебания в хиггсовом поле и резонансы образуются более интенсивно.

Результаты наблюдений могут быть использованы для исследования хиггсова поля в концепциях, рассматривающих системы с более высоким числом измерений, например, в теории струн. В теоретическом виде точную форму резонанса Хиггса на данный момент вычислить невозможно (хотя его теоретическое описание проще, чем в случае с бозоном Хиггса на БАК): препятствием вновь служит сильное затухание колебания. Сейчас физики сконцентрированы на обосновании принципа детектирования резонанса.

О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»

24.01.2013

В поисках суперсимметрии

2012-11-26T15:16:38+04:00

Гипотеза суперсимметрии уже давно требует экспериментального подтверждения. Она может помочь в построении теории великого объединения физических взаимодействий, является важным допущением для суперструн и даже дает ключи к природе темной материи. О деталях исследований, причинах неудач и смелых надеждах на будущее в своей пленарной лекции на Гинзбурговской конференции рассказал Дмитрий Казаков, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ в Дубне.

Около 40 лет назад суперсимметрия как экзотический математический аппарат возникла в стенах ФИАН. Как и другие, более привычные виды симметрии, она означает неизменность процессов происходящих в мире элементарных частиц под действием ряда преобразований. Однако, в отличие ото всех других симметрий, в данном случае речь идёт о преобразовании фермионов, частиц с полуцелым спином, в бозоны - частицы с целым спином, и наоборот. Для каждой элементарной частицы, кварка, лептона, векторного бозона или бозона Хиггса, суперсимметрия предполагает существование суперпартнёра: частицы абсолютно идентичной по всем квантовым числам кроме спина, отличающегося на 1/2.

«То, что мы наблюдаем в мире элементарных частиц, пока хорошо описывается Стандартной моделью. Это подтверждается и экспериментами на ускорителях, и подземными экспериментами. Но, конечно, остаются некоторые глобальные проблемы: квантование гравитации, описание темной материи и темной энергии, барионная асимметрия Вселенной и другие.

Когда начала создаваться теория суперсимметрии, ученые руководствовались исключительно математической мотивацией, и хотели построить новую алгебру, перемешивающую спины частиц. Но если посмотреть на это дело с физической стороны, отбросив тонкости математического аппарата, то мне кажется, что основная мотивация была в объединении всех видов взаимодействий, в том числе и гравитационного. Сейчас кажется, что без суперсимметрии такое объединение работать не будет. А поскольку мечта о нем всегда жива, то именно суперсимметрия открывает к нему дорогу» - рассказал Дмитрий Казаков.

Стандартная модель - это модель физики элементарных частиц, описывающая видимую материю, состоящую из трёх поколений кварков и лептонов, и три вида взаимодействий (слабое, сильное и электромагнитное), осуществляемое посредством обмена калибровочными векторными бозонами. Гравитационное взаимодействие пока выпадает из этой картины. Его переносчик, гравитон, обладает спином равным двум (против единицы для других бозонов), а в Стандартной модели нет перехода между состояниями с отличающимися спинами. Кроме того, замечено, что силы взаимодействий значительно отличаются при малых энергиях, а при больших имеют тенденцию к сближению. Именно это явление и подтолкнуло ученых к идее создания объединенной теории всех взаимодействий, получившей название Теории Великого Объединения. А помочь в этом может как раз гипотеза суперсимметрии, предполагающая наличие суперпартнеров с различными спинами для всех элементарных частиц. Установлено, что в то время как в Стандартной модели не происходит объединения трёх взаимодействий, в суперсимметричной теории это вполне возможно.

Столь привлекательная для теоретиков гипотеза, конечно, требует и экспериментального подтверждения, а именно обнаружения этих суперсимметричных частиц-партнеров на ускорителях, чего до настоящего времени не произошло. Дело в том, что время жизни суперсимметричных частиц очень мало, и потому их пытаются идентифицировать по распаду вторичных частиц, вычленить из фона сотен сторонних эффектов и явлений. Для обнаружения суперсимметрии ускоритель должен обеспечивать ранее недостижимые энергию и количество рожденных частиц, а потому поиски суперсимметрии на прежде существующих ускорителях оказались безуспешными, и лишь Большой адронный коллайдер (БАК) дает надежды на проверку гипотезы суперсимметрии.

При распаде суперсимметричной частицы поэтапно образуются новые частицы все меньшей массы вплоть до легчайшей суперсимметричной частицы. Она стабильна и нейтральна, и потому должна незамеченной вылетать из детектора, нарушая баланс импульса и энергии в системе, частично унося их с собой. В том числе по этим потерям и идентифицируют суперсимметричные частицы.

«Эксперименты на ускорителях направлены на нахождение свидетельств существования суперсимметричных частиц. Есть надежда, что ускоритель, работающий в Женеве, уже сможет достигнуть достаточных энергий и светимости для рождения суперпартнёров. То есть в ближайшее время можно будет получить подтверждение или же опровержение существования суперсимметрии в области энергий порядка ТэВ. Но это только одна сторона вопроса.

С другой стороны, суперсимметричные частицы должны проявить себя и в других местах. Например, сейчас говорят о космологии, о темной материи» - пояснил Дмитрий Казаков.

Легчайшая суперсимметричная частица является одним из претендентов на составляющую темной материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением, но проявляется по ее гравитационным эффектам и составляет 80 % от массы все материи во Вселенной. В Стандартной модели не существует стабильных, тяжелых нейтральных частиц, подходящих на эту роль, а вот суперсимметрия вполне может предложить своего кандидата – легчайшую суперсимметричную частицу: комбинацию партнеров фотона, Z-бозона и бозона Хиггса. Эту частицу ищут как на ускорителях, так и в подземных экспериментах, но пока также безуспешно. Уж очень мало сечение её взаимодействия с обычной материей. Так что суперсимметрия готовит еще много загадок и открытий для своих исследователей.

М. Петров, АНИ "ФИАН-Информ"

29.11.2012

Где искать идеальную жидкость

2012-10-16T11:36:39+04:00

Индийский физик, член научного совета премьер-министра Индии, профессор Бикаши Синха (Bikashi Sinha), представил в ФИАНе последние результаты из области физики высоких энергий, которые неожиданным образом пересекаются с явлениями самого разного масштаба – от графена до нейтронных звезд.

Обычным, принятым с середины двадцатого века, термином «плазма» принято называть полностью или частично ионизированный газ, в котором при высоких температурах и давлении часть электронов отделяется от своих ядер. При этом все вещество в целом остается электрически нейтральным, хоть и разделяется на заряженные ионные и электронные облака. Нечто похожее предполагается и для кварк-глюонной плазмы, в которую при экстремальных условиях превращается адронное вещество. Только вместо электрического заряда здесь выступает цветовой - всегда нулевой для адронов, скомбинированных из цветных кварков, которые не способны существовать в свободном состоянии.

Предполагается, что Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые микросекунды жизни Вселенной после Большого взрыва, и что кварк-глюонная плазма формируется на ранних стадиях ультрарелятивистских соударений тяжелых ионов. Некоторые экспериментальные характеристики этих соударений указывают, что образующаяся в них кварк-глюонная среда по некоторым свойствам оказалась близким к идеальной жидкости. Правда, эта плазма с характерными значениями температур К (для сравнения температура в недрах Солнца достигает лишь К) пока остается абстракцией, хоть косвенно и подтвержденной данными, о которых пойдет речь ниже. Еще удивительнее то, что эта абстракция обладает свойствами другой воображаемой физической модели – идеальной жидкости - жидкости, в которой отсутствуют вязкость и внутреннее трение. Предельно низкое значение вязкости идеальной жидкости оценено, оно выражается в отношении вязкости к плотности энтропии, и равно h/4π. Но даже для квантовой жидкости - сверхжидкого гелия - самого идеального из всех реальных, этот параметр оказался значительно больше. Вязкость же кварк-глюонной плазмы, установленная в экспериментах на ускорителях, оказалось, лишь едва превышает этот предел.

Комментирует Андрей Леонидов, ведущий научный сотрудник отдела теоретической физики ФИАН: «Результаты недавних экспериментов на ALICE (A large Ion Collider Experiment), одной из шести установок Большого адронного коллайдера (БАК), означают, что, этот объект не является обычной равновесной плазмой. Ведь если система обладает свойствами идеальной жидкости, то есть ее вязкость ничтожно мала, это либо означает, что составляющие ее частицы взаимодействуют очень сильно (настолько сильно, что каждый слой частиц тащит соседний без какого-либо напряжения), либо мы имеем дело с турбулентой средой, для которой также характерна аномально малая вязкость. Тем самым, мы имеем дело или с сильно взаимодействующей, или с турбулентной кварк-глюонной плазмой».

Впервые о свидетельствах существования кварк-глюонной плазмы заговорили еще после экспериментов на ускорителе RHIC Брукхейвейнской национальной лаборатории (Нью-Йорк). Однако о прямых наблюдениях этого состояния до сих пор говорить не приходится, поскольку экспериментально наблюдаются только потоки конечных бесцветных адронов. Например, на ускорителе ЦЕРН, предшественнике БАК о появлении плазмы говорили лишь по «совокупности ста улик». Одной из самых веских среди этих «улик» является наблюдение «эллиптического потока» - характерной зависимости количества частиц, разлетающихся в разные стороны после каждого столкновения ядер, от угла наблюдения. Причина такой неоднородности – в нецентральности столкновений ядер. В результате, в образовании кварк-глюонной плазмы участвует только часть нейтронов и протонов, а само облако плазмы имеет характерную эллиптическую форму.

Андрей Леонидов: «Сейчас эллиптический поток проявляется и на LHC, но величина этого эффекта такова, что описание гидродинамического типа возникает как одно из естественных описаний поведения системы. И для ядер, которые нецентрально сталкиваются, распределение по импульсам разлетающихся частиц в каком-то смысле наследует геометрию зоны соударения, похожую на регбийный мяч. Там, где мяч сжат, давление больше. Соответственно, больше и импульс. Этот эффект был наблюден и оказался очень велик. А одно из его возможных объяснений – это как раз кварк-глюонная плазма, как идеальная жидкость».

Схожие результаты, вновь указывающие на существование кварк-глюонной плазмы, дали и последние эксперименты на БАК. При этом, как подчеркнул профессор Синха, это указание именно на существование сильновзаимодействующей плазмы (сильные взаимодействия также связывают кварки в протонах и нейтронах ядер материи), а не газа из слабовзаимодействующих, практически свободных кварков и глюонов, которые ожидали получить некоторые теоретики.

Схема преобразования вещества с первых микросекунд после Большого взрыва до образования планет и галактик

Модель кварк-глюонной плазмы также считается применимой к описанию поведения ранней Вселенной, которая характеризуется колоссальной плотностью энергии, температурой и давлением и, получается, предельно-идеальной вязкостью. Однако, такие же значения вязкости, согласно последним данным, характеризуют и газ электронов в чистом, недопированном графене.

«Казалось бы, очевидно несвязанные системы обладают одинаковыми значениями удельной вязкости на энтропию. От идеальной жидкости, которая наблюдается в экспериментах на LHC и RHIC до ультрахолодного вырожденного Ферми-газа. От первых микросекунд ранней Вселенной до нейтронных звезд. От графена и даже до гигантских резонансов конечных ядер. Основная причина столь неожиданной универсальности может восходить к общей универсальности мира. В любом случае, перед нами, кажется, открывается совершенно новая область физики», - прокомментировал профессор Бикаши Синха.

С. Чуваева, АНИ "ФИАН-информ"

16.10.2012