В 2023 году произошло довольно много интересных и важных физических исследований. В итоговом небольшом обзоре расскажем о некоторых из них. Как-то так получилось, что почти все они относятся к микромиру. Речь пойдёт о нейтрино, синтезе сверхтяжёлых элементов, квантовой запутанности молекул, исследовании протона и атома и особняком стоит передача энергии из космоса.

1. Антиматерия и гравитация
Физики, работающие на установке ALPHA-g в ЦЕРН, экспериментально доказали, что земная гравитация действует на антивещество вниз, как и на обычную материю. Результат ожидаемый, но требовавший проверки, поскольку существует предположение, что антиматерия подвержена антигравитации, то есть для неё гравитация приводит к отталкиванию, а не притяжению. Такое её гипотетическое свойство иногда используют для объяснения самых больших загадок современной космологии – преобладания вещества над антивеществом во Вселенной и наблюдаемого её расширения с ускорением, для чего обычно предполагают существование гипотетической тёмной энергии.

Установка детектора ALPHA-g в вертикальном положении (Фото ЦЕРН)

Коллектив ученых — соавторов открытия изотопа ливермория на фоне сепаратора DGFRS-II Фабрики сверхтяжелых элементов (Фото ОИЯИ)

Изображение молекулы в форме кольца, в которой присутствует только один атом железа (Слева). Рентгеновская подпись всего лишь одного атома железа: зависимость туннельного тока от частоты фотона (Изображение Университета Огайо)

Установка на место 93 тонного детектора STEREO вместе с защитой. Сверху он покрыт черными листами поглотителя нейтронов для уменьшения внешнего фона. (изображение Institut Laue-Langevin (www.ill.eu))

Космический аппарат SSPD-1, с прибором MAPLE (чёрная конструкция в левом ближнем углу), передающий солнечную энергию из космоса на землю (Изображение: Caltech, США)

Магнитно-фокусирующий «рог», для производства нейтрино в луче NuMI, используемый для получения первого в истории изображение протона с помощью нейтрино. (Reidar Hahn, Fermilab)

FASER — один из девяти экспериментов, которые проводятся в 2022—2023 годах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Цель эксперимента —обнаружение и изучение взаимодействий нейтрино высоких энергий внутри коллайдера. (Фото CERN)

Исследователи из Принстонского университета в Нью-Джерси (США), впервые осуществившие квантово-механическую запутанность отдельных молекул, в своей лаборатории. (Фото: Richard Soden, Принстонский университет)

В новом эксперименте «трубу» установки ALPHA установили вертикально. В магнитной ловушке накопили атомы антиводорода, а затем позволили им свободно падать. Перемещение атомов антивещества отслеживали по аннигиляционным вспышкам на стенках установки. Несмотря на кажущуюся простоту описания, эксперимент очень сложный, потребовавший в том числе учёта большого числа факторов, например, влияния магнитов в установке, чьё действие создаёт силу, сопоставимую с гравитационной. 

2. На пути к 120-му элементу

В октябре 2023 года на Фабрике сверхтяжёлых элементов в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ (Дубна, Россия) исследователи впервые успешно синтезировали сверхтяжёлый элемент с помощью снаряда-ядра тяжелее ⁴⁸Ca. В результате бомбардировки ядрами хрома ⁵⁴Cr мишени из урана ²³⁸U они получили ранее неизвестный изотоп ливермория ²⁸⁸Lv (116-го элемента Периодической таблицы Менделеева) со временем жизни чуть менее одной миллисекунды. Уникальный атом не был непосредственной целью эксперимента и стал приятной неожиданностью. Задачей же эксперимента была подготовка к синтезу ещё неоткрытого 120-го элемента, который носит временное название Унбини́лий (Ubn). Дело в том, что сверхтяжёлые элементы от 114-го – флеровия до 118-го – оганесона были синтезированы ([1], [2], [3]) в реакциях с пучком ⁴⁸Ca, а самое тяжёлое вещество, которое можно наработать в количестве, достаточном, чтобы сделать мишень – калифорний. Слияние ядер кальция (20-й элемент) и калифорния (98-й элемент) как раз и образует 118-й элемент – последний из синтезированных на сегодняшний день. Чтобы получить сверхтяжёлые элементы с большим атомным номером надо использовать ядра не кальция, а элементов с большим количеством протонов. Так, для получения 120-го элемента предлагается реакция хрома ⁵⁴Cr (24-й элемент) с мишенью из кюрия (96-й элемент). Исследованием этого снаряда и занят ОИЯИ. Полученный результат позволяет надеяться на успешное использование ядра ⁵⁴Cr для синтеза 120-го элемента, приступить к которому ОИЯИ планирует в 2025 году. После этого, видимо, будет сделана попытка синтезировать также ещё не открытый 119-й элемент, бомбардируя Америций (95-й элемент).

3. Рентгеновская подпись атома 

Команда физиков из нескольких американских лабораторий под руководством профессора Со Вай Хла (Saw Wai Hla, Университет Огайо) разработала метод, использующий синхротронное рентгеновское излучение для исследования отдельного атома в веществе. В качестве объекта изучения были выбраны атомы железа и тербия. Для решения этой задачи авторы работы сделали своеобразный гибрид рентгеновского спектроскопа и сканирующего туннельного микроскопа, назвав новый метод «синхротронной рентгеновской сканирующей туннельной микроскопией» (SX-STM). Исследователи одновременно с туннельным сканированием облучали образец рентгеновским излучением, которое проникало на нижние электронные оболочки, возбуждало близкие к ядру электроны и приводило к их туннелированию. В зависимости от состояния атома его электроны находятся на разных орбиталях, имеют разную энергию и соответственно поглощают фотоны разной длины волны. Регистрируя зависимость туннельного тока от частоты излучения можно распознать не только сам атом, но и его химическое состояние – на каких орбиталях находились электроны

4. Стерильных нейтрино нет? 

Отрицательный результат – тоже важный для науки результат. В самом начале 2023 года в журнале Nature физики из коллаборации STEREO сообщили об отрицательном результате поиска стерильных нейтрино с массой порядка одного электронвольта в реакторном эксперименте, проходившем с октября 2017 по ноябрь 2020 года в Институте Лауэ — Ланжевена в Гренобле (Франция). Особенность детектора STEREO – наличие шести секций, что позволяет надёжно проверять осцилляции нейтрино при их удалении от реактора, и высокая защита от шумов, которые способны испортить сигнал. Исследователи также объяснили причину реакторной антинейтринной аномалии недооценкой вклада низкоэнергетических бета-переходов в ядрах атомов.

Практически одновременно в журнале Physical Review Letters об отсутствии таких стерильных нейтрино сообщили и физики из коллаборации MicroBooNE в Национальной исследовательской лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилабе, США), которые провели повторный анализ своих данных. 

Поскольку эти частицы могли играть важную роль в решении важных вопросов физики и космологии, в мире было запущено несколько программ по поиску стерильных нейтрино. Об их поиске в нашей стране (эксперименте BEST в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН) можно прочитать в статье А. Понятова «Охота за стерильным нейтрино»(«Наука и жизнь» № 9, 2019 г., с. 2–7). Подождём, что скажут российские специалисты.

5. Энергия из космоса

1 июня 2023 года Калифорнийский технологический институт (Калтех, США) сообщил о первой успешной передаче солнечной энергии из космоса в приёмник на земле с помощью прибора MAPLE, размещённого на космическом корабле SSPD-1, запущенном на орбиту в январе. И MAPLE, и SSPD-1 были разработаны в Калтехе.

MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment – микроволновая решётка для низкоорбитального эксперимента по передаче энергии) состоит из массива гибких лёгких передатчиков микроволновой энергии, управляемых специальными электронными чипами, созданными с использованием недорогих кремниевых технологий. Благодаря этому управлению с помощью когерентного сложения электромагнитных волн MAPLE способен смещать фокус и направление излучаемой энергии — без каких-либо движущихся частей, передавая большую часть энергии в нужное место на Земле.

6. Нейтрино заглянуло внутрь протона 

Американские физики из Рочестерского университета и проекта MINERvA (Main Injector Neutrino ExpeRiment to study v-A interactions – Главный эксперимент с инжектором нейтрино для исследований взаимодействия нейтрино с атомами) в Фермилабе впервые смогли точно измерить размер и структуру протона с помощью нейтрино. Их результаты опубликованы в журнале Nature. Тем самым создан ещё один инструмент, способный заглянуть внутрь субатомных частиц, который, возможно, позволит уточнить наши представления о них. Кроме того, подобные эксперименты могут прояснить и то, как нейтрино взаимодействуют с веществом. 

Информацию о структуре протона исследователи получили, направив пучок нейтрино на пластиковые мишени, содержащие углерод и водород, ядра которого как раз одиночные протоны. Нейтрино слабо взаимодействует с веществом, поэтому пришлось решить множество проблем для высокоточных измерений их рассеяния. Например, было сложно наблюдать сигнал нейтрино, рассеянного одиночными протонами водорода на фоне нейтрино, рассеянных связанными протонами в ядрах углерода. Для решения этой проблемы исследователи смоделировали сигнал углеродного рассеяния и вычли его из экспериментального сигнала.

7. Физики впервые увидели коллайдерное нейтрино 

Реакции, которые происходят в протонных коллайдерах (ускорителях частиц, в которых два пучка протонов сталкиваются друг с другом), порождают большое количество нейтрино. Однако до сих пор эти нейтрино никогда не наблюдались напрямую. Очень слабое взаимодействие нейтрино с другими частицами делает их обнаружение крайне сложным. И вот в августе 2023 года участники сразу двух экспериментов на Большом адронном коллайдере объявили о первой регистрации нейтрино. В итоге детектору FASER удалось зафиксировать 153 частицы, а SND@LHC – 8.

Детектор FASER размещён в отдельном туннеле вдоль линии луча. Известно, что нейтрино высоких энергий производятся преимущественно на этом участке, но другие детекторы на БАКе имеют здесь слепые зоны и потому не могли наблюдать. Обнаруженные FASER нейтрино имеют самую высокую энергию, когда-либо зарегистрированную в лабораторных условиях. Двухметровый детектор SND@LHC расположен в месте, где поток нейтрино ожидался самым высоким. А от осколков столкновений протонов его прикрывают примерно 100 метров бетона и камня.

Регистрация коллайдерных нейтрино может открыть новые возможности для экспериментальных исследований в области физики элементарных частиц.

8. Физики впервые квантово запутали молекулы. 

Исследователи из Принстонского университета в Нью-Джерси (США) впервые осуществили квантово-механическую запутанность отдельных молекул. В этих особых состояниях молекулы остаются коррелированными друг с другом и могут взаимодействовать одновременно, даже если они находятся на расстоянии нескольких миль друг от друга или даже если они занимают противоположные концы Вселенной.

Это новый рубеж в квантовой науке, поскольку запутанные молекулы могут стать строительными блоками для многих будущих приложений. К ним относятся, например, квантовые компьютеры, способные решать определённые проблемы гораздо быстрее, чем обычные компьютеры, квантовые симуляторы, которые могут моделировать сложные материалы, квантовые датчики, которые могут измерять быстрее, чем их традиционные аналоги, и новые способы хранения и обработки квантовой информации. Аналогичные результаты получили исследователи из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института. Обе работы опубликованы одном декабрьском номере журнала Science.

Более подробно о первых пяти событиях можно прочитать в январском номере журнала «Наука и жизнь».