🐎 📖 🛴 Resultados físicos del año. 🍯 🧛🏾 💌

Hola giktayms Los últimos días de diciembre están en el patio, lo que significa que es hora de hacer un balance del año saliente con la American Physical Community. Además del descubrimiento del pentaquark y las desigualdades de Bell, se incluyeron mimivirus, materia oscura y globos en explosión en la lista corta . Bienvenido a cat.

LHC, dame cinco!

Según el modelo estándar, los componentes básicos del universo son seis partículas elementales llamadas quarks (y algunas otras, pero hoy no se trata de ellas). Debido a la naturaleza de la interacción, los quarks no se observan individualmente, sino que se recogen en grupos de dos o tres. Por ejemplo, un protón y un neutrón están formados por tres quarks.

¿Hay partículas que consisten en un mayor número de quarks? Esta pregunta se hizo hace medio siglo, y la respuesta final "sí" de la colaboración LHCb se expresó solo en agosto de este año. Se necesitaba un truco experimental para el descubrimiento: el Gran Colisionador de Hadrones colisiona dos partículas con tanta energía salvaje que se forma una nube de una gran cantidad de productos de descomposición. Es casi imposible rastrear las trayectorias de productos individuales en esta papilla.

Afortunadamente, la mayoría de los productos de descomposición viven muy poco. Los más longevos logran volar lejos del punto de colisión, donde es mucho más fácil observar sus trayectorias. Por ejemplo, así es como se comportan los barones lambda: su tiempo de vida es suficiente para volar a una distancia considerable y romper allí en el codiciado pentaquark y K-mesón. Por lo tanto, los autores del trabajo monitorearon a propósito solo la descomposición del lambda barión, lo que les permitió detectar ni uno, sino dos pentaquarks.

El fin del realismo local.

Según la mecánica cuántica moderna, las manipulaciones con la partícula A pueden cambiar instantáneamente el estado de una partícula B arbitrariamente distante sin ningún canal de comunicación. En cierto sentido, esto indica transmisión superluminal de información. Einstein no pudo soportar esto en absoluto: en la teoría especial de la relatividad, la velocidad de cualquier interacción en la naturaleza está estrictamente limitada por la velocidad de la luz. Un poco más tarde, Bell propuso un experimento que permitió resolver la contradicción. La idea era crear dos partículas enredadas, realizar manipulaciones independientes con ellas y luego medir su estado. El experimento indicó que Einstein estaba equivocado; sin embargo, quedaban algunas lagunas: una

laguna de localidad: la manipulación de partículas debe ser independiente. En primer lugar, deben ser aleatorios (necesitará un generador de números aleatorios de hardware); en segundo lugar, la información de una manipulación no debe llegar a otra antes de su finalización (lo que significa que debe difundirla en el espacio lo suficientemente lejos una de la otra).

Laguna de detección : generalmente las partículas enredadas son fotones, y la eficiencia de detección de fotones individuales no es muy alta. Muchos fotones permanecen sin ser detectados y, en principio, pueden transmitir información. Para cerrar esta escapatoria, necesita usar fotodetectores muy efectivos; o reemplazar fotones con otra cosa.

Ambas lagunas se cerraron por separado durante mucho tiempo. Este año estuvo marcado por el cierre simultáneo de ambas lagunas en un experimento; Además, esto se logró simultáneamente por tres grupos: de los Países Bajos , Austria y el NIST en Colorado. Esto encaja muy bien con la mecánica cuántica. Sin embargo, después de que aparecieron estas nuevas lagunas, esta vez relacionadas con el mecanismo de enredo de partículas; sin embargo, aún no está claro si son tan importantes.

Rayos X 3D para el virus

¿Sabes cómo se descubrió la estructura del ADN? Esta es una historia maravillosa , en la que la cristalografía de rayos X jugó un papel importante. Si brillas sobre la molécula con radiación de rayos X, como resultado de la interacción con ella, se forma un patrón de difracción a partir del cual puedes restaurar la estructura de la molécula. El problema es que el patrón de difracción de una sola molécula es muy difuso. Para mejorar el contraste, muchas moléculas idénticas se recogen en un cristal para agregar una señal débil de cada una de ellas en una fuerte.

Algunas moléculas son fáciles de ensamblar en un cristal, otras (como el ADN) son un poco más complicadas. Pero, ¿qué pasa si la molécula no cristaliza en absoluto? Hasta hace poco, parecía que en este caso no se podía hacer nada. Todo ha cambiado este año: colaboración de todo el mundousó una fuente de rayos X brillante para iluminar un gran mimivirus desde diferentes ángulos y obtener 198 patrones de difracción más o menos claros. Un algoritmo iterativo complejo puso estos datos en una imagen tridimensional, a partir de la cual fue posible determinar la forma del virus. El resultado fue un modelo 3D (imagen inferior derecha) con una resolución de 125 nm. Aunque esto no es mucho, el principal avance de este trabajo es que los algoritmos modernos y las fuentes de rayos X brillantes nos permiten descubrir la estructura de una sola molécula.

Atlas mundial de la materia oscura

Una parte importante de la materia en el Universo es la materia oscura, una sustancia invisible sujeta solo a la interacción gravitacional. Por esta razón, su presencia solo puede detectarse como una masa adicional, lo que, por ejemplo, explica por qué los bordes de las galaxias giran más rápido de lo que deberían. Y los objetos masivos, como saben, doblan el espacio-tiempo. Los objetos muy pesados (como los agujeros negros) conducen a lentes gravitacionales y cruces de Einstein ; las más claras, como grandes áreas de materia oscura, imágenes ligeramente "estiradas".

Esta característica fue utilizada por una gran colaboración internacional para compilar un gran mapa de materia oscura.. Los astrónomos analizaron los datos del telescopio en Chile, determinando el alargamiento de la imagen de las galaxias. Si no hubiera objetos masivos en su camino, las imágenes no estarían distorsionadas. La presencia de materia oscura comprime la imagen y le permite determinar la masa de materia oscura con una precisión bastante alta. Después de analizar las imágenes de dos millones de galaxias, los astrónomos pudieron compilar un mapa bastante detallado de la distribución de la materia oscura en el universo. Por cierto, este trabajo se está realizando como parte de un estudio a gran escala de Dark Energy Survey, y hoy solo se ha procesado el 3% de los datos esperados, lo que significa que en los próximos años el mapa se volverá más detallado.

Semi Metales de Vale

Hace ochenta años, el matemático German Weil propuso una ecuación que describe partículas elementales con masa cero y quiralidad distinta de cero. Por el nombre del autor, fueron llamados fermiones de Weil. No se encontraron partículas elementales; pero resultó que la misma ecuación puede describir el comportamiento de los electrones en algunos semimetales. Este año, al mismo tiempo, dos grupos de Princeton y Beijing descubrieron que así es como se comportan los electrones en el arseniuro de tantalio (TaAs). Otro grupo del MIT estudió no los electrones en un cristal periódico de TaAs, sino los fotones en una estructura periódica artificial: un cristal fotónico. También lograron ver que el comportamiento del sistema de fotones coincide con el predicho por Weil.

En general, el comportamiento de los electrones en el arseniuro de tantalio es muy similar a su comportamiento en el grafeno: en ambos materiales, los electrones tienen masa efectiva cero. Esto determina la perspectiva del descubrimiento: como el grafeno, el arseniuro de tantalio se puede usar como un material con una movilidad gigantesca de portadores de carga y una resistencia eléctrica extremadamente baja.

Qubits: ¡en órbita!

Transmitir información usando la luz es fácil y conveniente. Para los bits clásicos "0" y "1" es habitual codificar encendiendo o apagando la fuente de luz. Los bits cuánticos (qubits) pueden ser una combinación de cero y uno, y la polarización de la luz se usa generalmente para su transmisión: vertical - "0", horizontal - "1", otros estados corresponden a las combinaciones "0" y "1". Hoy en día, los qubits se transmiten con éxito a través de fibras ópticas (redes cuánticas cerca de Viena y Ginebra de 50–80 km de largo) y al aire libre (hasta 150 km).

¿Es posible enviar un qubit aún más? La colaboración italiana se aventuró a enviardejó fotones al satélite, donde se reflejaron desde el reflector de la esquina y regresaron a la Tierra. El propósito del experimento era comprender cuánto se distorsiona el qubit después de tal vuelo, y si será posible "leerlo". Se usaron cinco satélites diferentes para la comparación: uno distorsionó deliberadamente la polarización y debería arruinar irreversiblemente el qubit, los otros cuatro no deberían introducir distorsiones. Las expectativas se confirmaron: el canal de comunicación a través de la atmósfera resultó ser silencioso, y logramos leer la información cuántica después de un vuelo de mil kilómetros. Y esto significa que la criptografía cuántica en el espacio está a la vuelta de la esquina.

Microscopio fermion

Todas las partículas que conocemos se dividen en bosones (con un giro completo) y fermiones (con un giro de medio entero). Cualquier cantidad de bosones puede ocupar el mismo nivel de energía. Por ejemplo, los bosones que ocupan un estado con energía mínima forman un condensado de Bose-Einstein; Su descubrimiento fue galardonado con el Premio Nobel, y numerosos estudios aclararon muchos matices en la mecánica cuántica y campos relacionados.

Las cosas no son tan simples con los fermiones: el principio de Pauli prohíbe que más de dos fermiones ocupen un nivel de energía. Aunque si los fermiones están lejos el uno del otro (a una distancia de micras), casi no se sienten y pueden permanecer en el mismo nivel. Este año, hasta tres laboratorios del MIT , Harvard y Glasgowlogró enfriar muchos fermiones (átomos de litio o potasio) a un estado con energía mínima; colóquelos en los nodos de una red rectangular para que no "interfieran" entre sí y fotografíe con éxito (este es un arte separado). Los planes futuros están obligando a los fermiones en los nodos vecinos a interactuar entre sí. Esto abrirá una nueva página en física y permitirá simular el comportamiento de los electrones (que también son fermiones) en diferentes sistemas. Por ejemplo, la simulación de superconductores puede arrojar luz sobre sus características y permitir la creación de nuevos superconductores de alta temperatura.

Hora de soplar bolas

Parece que lo que podría ser interesante en un globo estallando? Resulta que esto puede ser importante para comprender los procesos de propagación de defectos en una variedad de estructuras; y la pelota es un sistema modelo ideal para tal investigación: cuesta un centavo y es increíblemente fácil trabajar con ella. Esto motivó a los investigadores de París , quienes descubrieron que la pelota explota de maneras completamente diferentes, dependiendo de qué tan inflada esté.

La energía de la bola inflada se almacena en forma de tensión elástica de la carcasa; Un pinchazo le permite eliminar este estrés y devolver el caparazón a su forma original. Resulta que con un pinchazo, la pelota busca deshacerse de la energía almacenada de la manera más rápida posible. Si la tensión de la funda es pequeña (por ejemplo, si pinchaste una bola ligeramente inflada con una aguja), la punción se extiende en dos direcciones hasta que salga todo el aire. Si la tensión del cascarón era alta (inflamos la pelota hasta que estalló), entonces un solo descanso no es suficiente para que la energía se libere lo suficientemente rápido. Se vuelve beneficioso formar no uno, sino varios espacios que se propagan radialmente desde un pinchazo:

Cuanto más fuerte se inflaba la pelota, se formaban más discontinuidades radiales. Este resultado aparentemente curioso resultó ser muy interesante para estudiar la fragmentación y el comportamiento de fallas y defectos similares en diferentes sistemas. La investigación anterior (principalmente teórica) se dedicó al comportamiento de las discontinuidades que se cruzan o se fusionan. Un nuevo trabajo abrió sus ojos a la división de tales defectos.

Estos descubrimientos fueron recordados por el año saliente. Esperamos que el año que viene no sea menos interesante =).

Resultados físicos del año.