Элементарные частицы и атомные ядра
Физики-ядерщики коротко рассказывают о физических явлениях.
Физики-ядерщики коротко рассказывают о физических явлениях.
В конце прошлой недели в сообществе Лига Химиков я опубликовал пост, в котором задал на первый взгляд элементарный вопрос: имеются ли какие-то элементы "до" водорода. В запасе у меня было несколько возможных вариантов ответа, но обсуждение в результате свелось к определению статуса нейтрона – одного из претендентов на звание "нулевого элемента". В связи с этим предлагаю провести мини-опрос на тему:
По вашему мнению, какой самый высокий статус имеет нейтрон:
1) является (элементарной?) частицей;
2) является нуклоном;
3) образует (самостоятельный?) нуклид;
4) образует ядро (атома?);
5) образует (вырожденный?) атом;
6) образует (химический?) элемент.
Вы можете высказать своё мнение в комментариях или проголосовать в специально созданном для данного опроса Telegram-канале https://t.me/chempikabu (т.к. средствами самого Pikabu опросы, по-видимому, создать нельзя). Призываю всех быть взаимно вежливыми и по возможности ссылаться на определения. Вопрос на самом деле довольно простой, но требует внимания к деталям и понимания сути определений и терминов.
Если фотон переносит электро-магнитное поле (т.е. переменное магнитное и электрическое поле с ненулевой частотой, которые преобразуются и порождают друг друга), то что переносит постоянное электрическое или магнитное поле? Фотон с нулевой частотой? Но тогда его длина волны должна быть равна бесконечности. Такое возможно?
И еще, если фотон -- это частица, то как она кодирует свою поляризацию (поляризацию эм-волны)? У точечной частицы невозможно выделить никакого направления, кроме направления движения. Вот у квадрата, движущемся в 3-мерном пространстве -- да. А у точки -- нет.
Если в природе есть электрические заряды, то почему нет магнитных (магнитного монополя)? И что будет, если их искусственно ввести и промоделировать на суперкомпьютере?
Кто-нибудь может объяснить?
Мы знаем, что материя состоит из атомов. Резерфорд описал строение атома как солнечную систему – в центре положительно заряженное массивное ядро из протонов и нейтронов (нуклонов), а по орбиталям вращаются электроны. Добавляя больше протонов и нейтронов в ядро, и вращающихся электронов вокруг них мы получаем новые элементы.
При исследовании космических лучей были обнаружены фотон, позитрон (первая открытая античастица), мюоны, мезоны и ученые задумались над классификацией. В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Какие свойства есть у частиц? Основные - спин, время жизни, электрический заряд, масса.
СПИН. Все частицы подразделяются на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезоны ). Фермионы – это частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон). Одни являются кирпичиками материи, а другие – переносчиками взаимодействий.ВРЕМЯ ЖИЗНИ. Практически все элементарные частицы являются нестабильными, распадаясь на другие частицы. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и резонансы.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД. У каждой частицы есть своя античастица с теми же свойствами кроме заряда (например, электрон и позитрон). Но есть и исключения - фотон нейтрален (античастица совпадает с частицей).МАССА варьируется в широком диапазоне от 0 у фотона до 90 ГэВ у Z-бозона.
Фермионы делятся на ЛЕПТОНЫ и КВАРКИ. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.
В итоге сложилась стандартная модель, которая в выглядит вот так:
Нарушение СР-симметрии в распадах D⁰ мезонов и соответствующих им античастиц, анти-D⁰ мезонов по данным коллаборации LHCb. Буквой К обозначены продукты распада частиц, количество распадов для каждого случая показано вертикальными столбцами
21 марта 2019 г. на конференции по электрослабым взаимодействиям и теориям большого объединения в Ля Туиле (Италия) представители коллаборации LHCb заявили об обнаружении СР-нарушения в распадах очарованных мезонов. Открытие может стать ключом к разгадке тайны асимметрии вещества и антивещества во Вселенной
В первые мгновения после Большого взрыва вещество и антивещество образовались в равном количестве, однако сейчас антивещества в окружающей нас Вселенной ничтожно мало. Что нам очень на руку, ведь в случае полного равенства частиц и античастиц они бы проаннигилировали друг с другом вскоре после рождения Вселенной, и мира, каким мы его знаем, просто не существовало бы. Преобладание вещества над антивеществом во Вселенной – одна из задач физики, над решением которой бьются лучшие умы.
В 1967 г. советский академик А.Д. Сахаров предположил, что дисбаланс вещества и антивещества мог возникнуть в результате нарушения так называемой CP-симметрии. Идея симметрии четности заключается в том, что законы физики инвариантны (неизменны) относительно зеркальной инверсии, т.е. зеркальное изображение реакции идет так же, как и сама реакция. Но это не касается слабых ядерных взаимодействий, и при одновременной замене на античастицы всех частиц, участвующих в этих взаимодействиях, вероятности всех процессов не останутся прежними. В своей знаменитой работе о генерации барионной асимметрии Вселенной Сахаров показал, что CP-нарушение является одним из условий, при которых после Большого взрыва вещество и антивещество уничтожают друг друга не полностью – остается маленький избыток вещества, из которого и сформировались звезды, галактики и, в конечном итоге, мы с вами.
Кстати сказать, о наблюдении нарушения CP-симметрии в распаде нейтральных К-мезонов американские физики Д. Кронин и В. Фитч объявили еще в 1964 г. на 12-ой Международной конференции по физике высоких энергий ICHEP в Дубне. За два года до этого группа Э. О. Оконова из дубнинского Объединенного института ядерных исследований искала CP-запрещенные распады каонов, но эксперимент был признан безнадежным и закрыт по финансовым соображениям. Так что Нобелевская премия по физике за 1980 г. досталась американским ученым.
В 1973 г. два японских исследователя, будущие нобелевские лауреаты М. Кобаяши и Т. Маскава предложили теоретическое объяснение нарушения четности, экспериментально обнаруженной в 1964 г. В рамках теории Кобаяси-Маскава для объяснения эффекта СР-нарушения была предложена модель, предполагавшая существование трех поколений кварков и наличие комплексной фазы в амплитудах переходов между разными поколениями. Однако проявление этого эффекта в распадах частиц, содержащих различные тяжелые кварки, во многом зависит от других свойств Стандартной модели.
Эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере (БАК, LHC) в ЦЕРН предназначен для изучения B-мезонов, неустойчивых частиц, при распаде которых наиболее ярко проявляется асимметрия между веществом и антивеществом. LHCb – самый маленький из четырех основных детекторов БАК, но далеко не «последний». Два года назад известный популяризатор науки, физик Игорь Иванов писал, что «LHC – единственный из экспериментов БАК, исправно поставляющий позитивные результаты».
Новый сенсационный результат исследователи из российского Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» и Школы анализа данных Яндекса в составе коллаборации LHCb получили при анализе данных по распаду очарованных D-мезонов (частиц, содержащих один очарованный кварк) в эксперименте LHCb в 2011–2018 гг. Кстати сказать, вероятность рождения самих D-мезонов очень невелика, к тому же эти частицы практически сразу распадаются.
Ожидалось, что эффект СР-нарушения в распадах этих частиц должен быть на уровне 0,1–0,01%. Ученые обнаружили, что количество распадов анти-D⁰ мезонов действительно превышало соответствующее количество распадов D⁰, при этом значение для CP-нарушения отличается от нуля на 5,3 стандартных отклонения, что выше порога в пять стандартных отклонений, принятом в физике высоких энергий для признания достоверности наблюдаемых различий.
Чтобы улучшить качества набора и анализа данных эксперимента LHCb исследователи применили элементы искусственного интеллекта, а вычислительные мощности Яндекса были использованы для моделирования событий эксперимента LHCb, необходимого для правильной интерпретации физических результатов. По словам ведущего научного сотрудника лаборатории LAMBDA факультета компьютерных наук ВШЭ Ф. Ратникова, благодаря усилиям их группы «эффективность триггера для отбора значимых событий была увеличена в среднем на 40%, а за счет использования нейросетевых байесовских подходов был улучшен алгоритм определения типа частиц, наблюдаемых детектором. Также была разработана интеллектуальная система мониторинга качества работы последнего».
Как резюмировал старший научный сотрудник той же лаборатории Д. Деркач, «изучение эффектов СР-нарушения исключительно важно для понимания механизмов образования нашей Вселенной. И сегодня мы сделали еще один шаг в изучении картины этого явления в распадах тяжелых мезонов».
Фото: https://home.cern
По материалам Пресс-службы НИУ ВШЭ (Москва)
В человеческом сознании все в мире подчиняется течению времени: от нашей собственной жизни до величественного танца галактик на просторах Вселенной. Но когда мы говорим о таких странных частицах как фотонах, наши представления о времени имеют мало общего с реальностью.
Известно, что фотоны – частицы света – имеют нулевую массу покоя. Именно это позволяет им перемещаться со скоростью света. Чем быстрее передвигается объект в пространстве, тем медленнее для него идет время относительно наблюдателя. Для фотона, летящего со скоростью света, оно вовсе останавливается.
Что это означает? Похоже, фотон вовсе не воспринимает течение времени. Миллиарды лет существования Вселенной, не говоря уже о времени жизни человека, для этой частицы проходят как одно мгновение. Более того, для фотона, летящего со скоростью света, все расстояния по направлению его движения сократятся до точки – вступает в действие эффект релятивистского сокращения длины. Получается, фотон с его точки зрения живет и существует лишь мгновение, никуда при этом не перемещаясь – пока не будет поглощен каким-либо объектом.
А с точки зрения нас – наблюдателей – фотон может существовать бесконечно, пересекая космическое пространство со скоростью света. Испущенный в самом начале рождения Вселенной, он может существовать до самого ее конца. С нашей точки зрения – вечность.
Рассказывает понятно и доступно доктор физико-математических наук Д. Казаков.
Одна вакансия, два кандидата. Сможете выбрать лучшего? И так пять раз.
Большой адронный коллайдер в ЦЕРН (CERN) образовал в небе над исследовательским центром необычное природное явление, которое шокировало жителей Женевы.
Во время проведения эксперимента с адронным коллайдером над исследовательской лабораторией происходили шокирующие явления. В небе поднялся светящийся вихрь из облаков, который поразил жителей Женевы, где расположен ЦЕРН. Некоторые особо впечатлительные свидетели явления посчитали, что с помощью адронного коллайдера удалось открыть портал в другое измерение.
Однако сотрудники исследовательского центра ЦЕРН объяснили, что странное явление в небе стало следствием эксперимента, в котором ученые пытались собрать вместе микрочастицы. Шокирующее событие произошло 24 июня.
Гордон Фримен, настало твоё время!
Источник: