Группа физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда показала, что чрезвычайно лёгкие гипотетические частицы, известные как аксионы, могут возникать в виде больших облаков вокруг нейтронных звезд. В таком случае аксионы могли бы послужить объяснением неуловимой тёмной материи и, более того, их было бы не так уж трудно наблюдать.

Источник изображения: Университет Амстердама

Посвящённая аксионам у нейтронных звёзд работа была опубликована 17 октября в журнале Physical Review X. Она стала продолжением теоретического исследования природы аксионов, но в отличие от предыдущей работы, в которой авторы рассматривали вопрос излучения аксионов звездой, в новой работе даётся оценка аксионам, которые навсегда «зависли» у звезды.

Нейтронные звёзды создают вокруг себя и внутри настолько запредельные условия для материи, что там могут появляться редкие частицы, а материя проявляет фантастические свойства. В объект размерами 12–15 км вмещается вещество массой, равной массе Солнца. Динамо такого объекта вырабатывает чудовищное магнитное поле, а аксионы, как считается, в сильных магнитных полях превращаются в фотоны.

Аксионы предложены около 50 лет назад для устранения ряда нестыковок в физике элементарных частиц. На самом деле — это торговая марка стирального порошка (или мыла), что образно призвано «отмыть» недостатки наших знаний дочиста. В теории они очень и очень лёгкие и поэтому сложно наблюдаемые в природе или в лабораториях. Точнее, их ещё никто не наблюдал. Как обосновывают авторы работы, мы просто не знали, где их лучше всего искать. По мнению учёных, нейтронные звёзды — лучший объект для поиска аксионов.

При распаде на фотоны аксионы испускают слабый сигнал в силу своей запредельной лёгкости. Но вокруг нейтронной звезды за миллионы лет может скопиться такое невероятное облако аксионов, что оно будет излучать непрерывный и относительно легко детектируемый сигнал. Аксионы не будут падать на нейтронную звезду поголовно в силу их слабого взаимодействия с обычным веществом, поэтому аксионные облака могут являться непременным атрибутом абсолютно всех нейтронных звёзд.

Слабое взаимодействие аксионов с обычным веществом делает их неплохими кандидатами в тёмную материю. Согласно расчётам команды, облако аксионов у нейтронной звезды создаёт в локальном пространстве плотность, на двадцать порядков превышающую плотность тёмной материи. Наблюдение за облаками аксионов у нейтронных звёзд может открыть множество секретов в физике элементарных частиц и пролить свет на тёмную материю. Кстати, во время смерти нейтронной звезды облако аксионов может произвести характерную колоссальную вспышку, которую тоже можно наблюдать нашими инструментами.

Возможность существования аксионных облаков также открывает массу направлений в теоретической физике от моделирования динамики нейтронных звёзд с учётом их влияния до описания поведения самих облаков. Основы для необходимых расчётов и наблюдений уже заложены, но нужна дополнительная работа, включая численное моделирование.

Учёные обнаружили связь между молниями в атмосфере Земли и появлением электронов с околосветовыми скоростями в радиационных поясах Ван Аллена вокруг планеты. В данных спутниковых наблюдений за десять лет такие события часто разделены интервалами менее секунды, что указывает на прямую связь. Это означает, что погода на Земле имеет прямое воздействие на околоземную космическую погоду, которая способна оказывать негативное влияние на спутники и космонавтов.

Снимок грозы с борта МКС. Источник изображений: NASA

Пояса Ван Аллена — это две относительно стабильных области пространства вокруг Земли, которые служат ловушкой для высокоэнергетических частиц из космоса и от Солнца. Пояса формирует магнитное поле планеты: внутренний пояс простирается от 640 до 9600 км, а внешний — от 13 500 до 58 000 км. Без этой защиты поверхность Земли была бы вычищена радиацией от всей биологической жизни. Электроника также боится частиц с высокой энергией, которые могут вызывать как сбои, так и непосредственное повреждение чипов.

Группа учёных во главе с Максом Файнландом (Max Feinland) из Университета Колорадо (University of Colorado) в Боулдере проанализировала данные спутниковых наблюдений за активностью в поясах Ван Аллена в период с 1996 по 2006 год и обнаружила там 45 всплесков появления облаков высокоэнергетических электронов со скоростями, близкими к скорости света. Такие частицы легко покидали области поясов Ван Аллена и становились угрозой как космонавтам, так и спутникам на всех орбитах. Но что самое удивительное, ряд событий возникал сразу после разрядов молний в атмосфере Земли.

Схематическое изображение поясов Ван Аллена

Традиционно люди на орбите и операторы спутников предупреждаются о радиационной опасности в связи с активностью Солнца, будь то просто вспышки или выбросы корональной массы. Появление высокоэнергетических частиц с тыла никто не учитывает, однако теперь учёным нужно внимательнее изучить процесс их рождения и, не исключено, что тем самым проявится новый контур угрозы. Пока исследователи полагают, что порождаемые грозовыми разрядами электромагнитные волны — так называемые атмосферики (волны Уистлера в зарубежной литературе) — провоцируют цепную реакцию в облаках низкоэнергетических электронов в поясах Ван Аллена, что ведёт к появлению электронов-убийц и их разлёту во всех направлениях.

Международная группа учёных получила самые тяжёлые атомы антиматерии, когда-либо созданные в коллайдере на Земле. Антивещество антигипергидроген-4 появилось в установке RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории. Исследованием руководили китайские учёные, которые сообщили о достижении. Это шаг к новым знаниям, который поможет человечеству продвигаться вперёд в своём развитии.

Источник изображения: Institute of Modern Physics, China

Изучение антиматерии даёт подходы к поиску новой физики или к объяснению дисбаланса в соотношении вещества и антивещества, возникшего вскоре после Большого взрыва. Если бы материи и антиматерии было поровну или они были бы полностью идентичны, за исключением знака заряда, то Вселенная не возникла бы. Произошло бы взаимное уничтожение вещества и антивещества с выделением энергии. Между тем, мы наблюдаем материальную Вселенную вокруг нас, а антиматерия, если и встречается в природе, то в крайне редких случаях. В основном её производят в лабораториях, включая столкновения частиц в коллайдерах.

Как вариант, возникло предположение, что вещество и антивещество могут отличаться по всё ещё неуловимым для наших приборов свойствам, а не только полярностью заряда. Поэтому так важно проводить эксперименты на коллайдерах, изучая все доступные параметры антиматерии в широком спектре веществ. Получение на коллайдере RHIC атомов (ядер) антигипергидрогена-4 относится к таким экспериментам, позволяя измерить массу, энергию и другие свойства конкретно этого антивещества для их сравнения с обычным гипергидрогеном-4.

Полученные в результате работы коллайдера RHIC атомы антигипергидрогена-4 состоят из антипротона, двух антинейтронов и антигиперона. Последние редки в экспериментах (как и гипероны), но, по сути, это чуть более тяжёлые версии антинейтрона. Гипероны и антигипероны отличаются очень малым временем жизни — около одной десятой наносекунды. Поэтому сами по себе ядра антигипергидрогена-4 не обнаруживаются на регистрирующем оборудовании. Зато остаются следы их распада (треки), по которым можно восстановить исходную картину.

Из 6,6 млрд столкновений удалось уверенно идентифицировать всего 16 ядер антигипергидрогена-4. Это немного, но достаточно для оценки их свойств. Исследователи продолжат эксперименты, чтобы набрать больше данных по этому антивеществу — пока самому тяжёлому, которое было получено на коллайдере. Это поможет проверить наши физические теории и, возможно, указать новое направление для их развития, если удастся узнать что-то новое и необычное об антиматерии.

Международная группа учёных во главе с китайскими исследователями поставила эксперимент, в ходе которого впервые удалось обнаружить признаки существования кванта гравитационного поля — гравитона, который также может служить переносчиком гравитационного взаимодействия. Концепция гравитона сформировалась без малого 100 лет назад, но лишь теперь учёные получили шанс приблизиться к его открытию.

Источник изображения: SCMP

В подготовке эксперимента и в анализе его результатов участвовали учёные из Китая, США и Германии. Установка создавалась в Нанкинском университете, на что ушло три года. Анализируемый материал необходимо было охладить до температуры вблизи абсолютного нуля и обеспечить воздействие на него тонко настроенным лазером для оценки возбуждения электронов в образце. Фактически это взаимоисключающие требования, ибо возникает мостик тепла между экспериментальной средой и измерительными инструментами.

Китайцы справились. Полученный из США образец высокочистого арсенида галлия был охлаждён до -273,1 °C и помещён в магнитное поле на шесть порядков сильнее, чем магнитное поле Земли. Задача стояла создать в материале толщиной с атом эффект конденсированного состояния электронов, поток которых начинал вести себя как жидкость. Затем с помощью лазера оценивались возбуждённые состояния электронов и, в итоге, измерялся их спин.

Как известно, спин электрона не целый и равен 1/2. У гравитона же спин должен быть равен 2, что делает его уникальным, если таковой вообще существует в природе. Анализ данных эксперимента показал, что отдельные частицы характеризовались спином со значением 2. Такая регистрация проведена впервые в мире и оставляет место для дальнейшего поиска гравитонов.

Если гравитон будет обнаружен, а это безмассовая частица не имеющая также зарядов, то это даст надежду на создание единой теории поля. До сих пор нет полной связи между классической физикой и квантовой. Именно отсутствие понимания сути гравитационного взаимодействия не позволяет соединить эти два мира.

Американские учёные только что прорубили окно в новую область экспериментальной физики. Они смогли получить энергетический образ движения электрона вокруг атома водорода в капле воды ещё до того, как атом пришёл в движение. До сих пор у учёных не было инструментов для подобной детализации процессов в веществе, что раскроет больше деталей о физике и химии многих процессов и, особенно, о радиационном воздействии на живые клетки.

Источник изображений: PNNL

В эксперименте, отдалённо похожем на съёмку замедленного видео, учёные выделили энергетическое движение электрона, одновременно «заморозив» движение гораздо более крупного атома, вокруг которого вращался целевой электрон, сделав это в образце обычной жидкой воды. О своей работе учёные сообщили в статье в журнале Science. Работа в основном была направлена на изучение высокоэнергетического излучения на живые клетки, что нужно для космоса, радиотерапии опухолей и не только.

«Химические реакции, вызванные излучением, которые мы хотим изучить, являются результатом электронного отклика мишени, который происходит в аттосекундном масштабе времени», — пояснила Линда Янг (Linda Young), старший автор работы и заслуженный научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. — До сих пор радиохимики могли определять события только в пикосекундном масштабе времени, что в миллион раз медленнее, чем аттосекунда. Это всё равно, что сказать "я родился, а потом умер". Вы хотели бы знать, что происходит в промежутке? Это то, что мы сейчас можем сделать».

Чтобы добиться результата, межведомственная группа учёных из нескольких национальных лабораторий Министерства энергетики США, а также университетов США и Германии объединила эксперименты и теорию, чтобы в режиме реального времени выявить последствия воздействия ионизирующего излучения от источника рентгеновского излучения на вещество. Исследование проводилось при поддержке Центра пограничных энергетических исследований межфазной динамики в радиоактивных средах и материалах (IDREAM), с финансовой поддержкой Министерства энергетики США в штаб-квартире в Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории (PNNL).

Не секрет, что субатомные частицы, например, электроны, движутся так быстро, что для фиксации их действий требуется датчик, способный измерять время в аттосекундах. Это настолько быстро (или мало), что в каждой секунде, например, больше аттосекунд, чем прошло секунд за всю историю Вселенной.

Проведённое авторами исследование опирается на открытие и создание аттосекундных рентгеновских лазеров на свободных электронах, за что в прошлом году, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике. В Национальной ускорительной лаборатории SLAC есть источник такого света (LCLS), чем воспользовались экспериментаторы.

Экспериментальная установка, создающая тончайшую плёнку воды шириной около 1 см

В качестве тестового образца для эксперимента была выбрана обычная жидкая вода. Первый аттосекундный импульс возбуждал электроны, а второй измерял отклик. Это позволило отреагировать датчикам настолько быстро, что возбуждённое состояние электрона проявило себя ещё до того, как атом водорода в молекуле пришёл в движение. Раньше в процессе подобного наблюдения с помощью импульсов большей длительности картина была настолько смазанной, что учёные предполагали существование ряда промежуточных состояний. Аттосекундный лазер показал, что промежуточных состояний нет — это всё миражи или помехи.

«Теперь у нас есть инструмент, с помощью которого, в принципе, вы можете следить за движением электронов и видеть только что ионизированные молекулы по мере их образования в режиме реального времени», — резюмировали достижение авторы исследования.

Японские учёные первыми в мире синтезировали самый тяжёлый изотоп кислорода-28 (²⁸O). На удивление исследователей, изотоп ²⁸O сразу же распался, что противоречит теориям Стандартной модели. Это подрывает основы наших знаний о мироздании — о сильном ядерном взаимодействии элементарных частиц, чему теперь предстоит найти объяснение.

Источник изображения: Pixabay

Самая распространённая на Земле форма изотопа кислорода — это кислород-16. Кислород-28 должен иметь на 12 нейтронов больше, но его до сих пор никто не смог синтезировать. Это удалось сделать учёным из Токийского технологического института. После серии ядерных преобразований на установке Riken RI в Вако (Япония) отсеянный спектрометром изотоп фтора-29 с девятью протонами направили на мишень из жидкого водорода. После столкновения водород и ²⁹F потеряли по одному протону и образовали молекулу изотопа кислорода-28.

Впрочем, о появлении ²⁸O учёные смогли судить лишь косвенно, по следам его распада. Вопреки предсказаниям теории, он разрушился чрезвычайно быстро — через зептосекунду (10^-21 с). Стандартная модель представляла, что изотоп кислорода-28 сможет существовать практически вечно, настолько он должен был оказаться стабильным.

«Это открывает очень, очень большой фундаментальный вопрос о самом сильном взаимодействии в природе — ядерной силе, — прокомментировал открытие изданию New Scientist Ритупарна Канунго, физик из Университета Святой Марии (Канада), не принимавший участия в эксперименте.

Стандартная модель утверждает, что частицы будут стабильными, если оболочки в ядре атома заполнены определенным числом протонов и нейтронов, которое называют «магическим» числом. Кислород-28 содержит 20 нейтронов и 8 протонов — оба числа являются магическими, что заставляло предположить, что эта молекула должна была быть чрезвычайно стабильной или «дважды магической». Однако этого не произошло.

Схема эксперимента по синтезу тяжёлых изотопов кислорода. Источник изображения: R. Kanungo / Nature 2023

О синтезе ²⁸O учёные узнали по продуктам его распада, который произошёл, по-видимому, за два этапа. В конечном итоге остался изотоп кислород-24 и четыре нейтрона.

«Я был удивлен, — сказал в интервью Nature Такаши Накамура, физик из Токийского технологического института и соавтор исследования. — Лично я думал, что это двойная магия. Но природа сказала своё слово».

Хотя эксперимент ещё не был воспроизведен в других лабораториях, результаты исследования позволяют предположить, что существующий список магических чисел может не давать полной картины того, насколько стабильны молекулы. В частности, ещё в 2009 году учёные показали, что изотоп кислорода-24 ведёт себя так, как будто он дважды магический, хотя у него нет магического числа протонов и нейтронов в оболочке. Подобные загадки имеют особую ценность для науки. Они указывают цель, к которой надо двигаться дальше.

Физики из Fermilab представили результаты эксперимента по измерению аномалии магнитного момента мюона (АМММ) — крайне нестабильной элементарной частицы. Набор данных двух наблюдений показал достоверно значимые отклонения в измеренных параметрах АМММ, природу которых нельзя объяснить в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. Это означает, что на магнитный момент мюона влияет нечто науке неизвестное.

Мюонное накопительное кольцо. Источник изображения: Muon g-2 collaboration

Мюон нестабилен, но он очень массивен — в 207 раз тяжелее электрона. И если такая тяжёлая штука имеет магнитный момент, то следить за ним и измерять его будет проще, чем в случае детектирования магнитного момента электрона, а аномалию магнитного момента электрона учёные смогли измерить с высокой точностью. Но с электроном всё просто. Источник его аномалии магнитного момента известен — это взаимодействие с квантами электромагнитного поля — и это отклонение согласуется с теоретическими выкладками.

Что касается аномалии магнитного момента мюона, то она не находит объяснения в рамках Стандартной модели. Помимо известных нам полей и частиц магнитный момент мюона отклоняет что-то такое, о чём современная физика не имеет представления. Если бы учёные смогли измерить это неизвестное воздействие с достаточной точностью — банально показать, что оно существует, то это открыло бы путь в так называемую Новую физику, поскольку означало бы присутствие в природе неизвестных сил (полей) или элементарных частиц. Тяжёлый мюон идеален для проведения таких экспериментов и свежие данные учёных из Fermilab — это один из новых шагов на этом пути.

Два сеанса длительных наблюдений на установке в Fermilab в рамках эксперимента Muon g-2 дало впечатляющий, но всё же пока спорный результат. Учёные сообщили, что достоверность измеренной аномалии магнитного момента мюона составил 5 сигма, чего достаточно для заявления об открытии. Иными словами, учёные с признанной в науке достоверностью доказали, что в мире есть поля или частицы, выходящие за пределы Стандартной модели (на что сразу же «обиделись» тёмная материя и тёмная энергия, которые давно за рамками наших знаний о физике Вселенной).

Но есть тонкость. В научной работе по измерению АМММ учёные «Фермилаб» использовали теоретические данные до 2020 года, а они устарели, в том числе, благодаря работам российских физиков. Учёные из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели эксперименты, которые поставили под сомнение расчёты 2020 года. Если это учитывать, то достоверность измерения АМММ в Fermilab снижается ниже достоверно значимой отметки 5 сигма и открытием считаться не может.

Американские учёные это признают и продолжат набирать статистику в дальнейших измерениях АМММ на своей установке и намерены к концу 2025 года превзойти теоретические границы измерения аномалии магнитного момента мюона, чтобы доказать или опровергнуть существование в мире «пятой» неизвестной силы или никому неведомой элементарной частицы. Но что-то заставляет учёных подозревать, что Новая физика есть и со Стандартной моделью, рано или поздно, придётся распрощаться.

Обнаружение бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в 2012 году стало завершающим в череде исследований, подтвердивших правильность Стандартной модели. Все фундаментальные частицы были найдены экспериментально, а их характеристики были измерены и согласованы с теорией. Впрочем, остаются небольшие расхождения между теорией и практикой, что заставляет продолжать эксперименты, и особенно это касается такой «молодой» частицы, как бозон Хиггса.

Источник изображения: ATLAS

На стартовавшей на днях конференции «Физика большого адронного коллайдера» (LHCP) представители коллабораций ATLAS и CMS рассказали, как они сообща обнаружили редчайшее событие — распад бозона Хиггса на электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия (Z-бозон) и носитель электромагнитной силы (фотон). Бозон Хиггса в столкновениях частиц на ускорителе может распадаться по целому ряду каналов и распад на Z-бозон и фотон в рамках Стандартной модели — это очень и очень редкое событие, которое должно случаться с вероятностью всего 0,15 %.

Следует сказать, что в данных БАК учёные ещё не встречали распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон, что косвенно подтверждает редкость такого явления. Обнаружить явление смогли комбинированные данные коллективов ATLAS и CMS, собранные на БАК в период с 2013 по 2018 год, а также использование машинного обучения для поиска интересующих событий.

По-отдельности статистическая точность обнаружения указанного канала распада в данных ATLAS составила 2,2σ (сигма — стандартное отклонение), а в данных CMS — 2,6σ. В сумме статистическая значимость события достигла величины 3,4σ, чего не хватило для заявки на открытие (для этого требуется величина отклонения не менее 5 сигм), но этого оказалось достаточно для почти надёжного подтверждения события.

Учёные подтвердили, что бозон Хиггса действительно может распадаться на Z-бозон и фотон. Дальнейшие наблюдения за подобным каналом распада или подтвердит физику в рамках Стандартной модели, или заставит усомниться в её завершённости. Новые наблюдения за бозоном Хиггса будут проводиться на модернизированном БАК, возможности которого улучшались поэтапно и теперь достигли максимального значения — в прошлом году энергию столкновений подняли до 13,6 ТэВ. В ближайшие годы статистика по распаду бозона Хиггса на Z-бозон и фотон будет набираться и даст чёткий ответ на вопрос: понимаем ли мы устройство нашего мира, или нет?