☔️ 🧑🏻‍🤝‍🧑🏻 🐃 Résultats physiques de l'année 👨🏼‍✈️ 🚩 👳

Bonjour Giktayms! Les derniers jours de décembre sont dans la cour, ce qui signifie qu'il est temps de faire le bilan de l'année sortante avec l'American Physical Community. En plus de la découverte des inégalités du pentaquark et de Bell, les mimivirus, la matière noire et les ballons éclatants ont été inclus dans la liste restreinte . Bienvenue au chat.

LHC, donne-moi cinq!

Selon le modèle standard, les blocs de construction de l'univers sont six particules élémentaires appelées quarks (et quelques autres, mais aujourd'hui il ne s'agit pas d'eux). En raison de la nature de l'interaction, les quarks ne sont pas observés individuellement, mais sont collectés en groupes de deux ou trois. Par exemple, un proton et un neutron sont constitués de trois quarks.

Y a-t-il des particules composées d'un plus grand nombre de quarks? Cette question a été posée il y a un demi-siècle et la réponse finale «oui» de la collaboration LHCb n'a été exprimée qu'en août de cette année. Une astuce expérimentale était nécessaire pour la découverte: le Grand collisionneur de hadrons heurte deux particules avec une énergie si sauvage qu'un nuage d'une énorme quantité de produits de désintégration se forme autour. Il est presque impossible de suivre les trajectoires de produits individuels dans cette bouillie.

Heureusement, la plupart des produits de décomposition vivent très peu. Les plus durables d'entre eux parviennent à s'éloigner du point de collision, où il est beaucoup plus facile d'observer leurs trajectoires. Par exemple, c'est ainsi que se comportent les baryons lambda: leur durée de vie est suffisante pour s'envoler sur une distance considérable et s'y décomposer en le pentaquark et le méson K convoités. Par conséquent, les auteurs de l'ouvrage n'ont surveillé délibérément que la pourriture du baryon lambda, ce qui leur a permis de détecter non pas un, mais deux pentaquarks.

La fin du réalisme local

Selon la mécanique quantique moderne, les manipulations avec la particule A peuvent changer instantanément l'état d'une particule B arbitrairement distante sans aucun canal de communication. Dans un sens, cela indique une transmission supraluminale d'informations. Einstein ne pouvait pas du tout accepter cela: dans la théorie spéciale de la relativité, la vitesse de toute interaction dans la nature est strictement limitée par la vitesse de la lumière. Un peu plus tard, Bell a proposé une expérience qui a permis de résoudre la contradiction. L'idée était de créer deux particules enchevêtrées, d'effectuer des manipulations indépendantes avec elles, puis de mesurer leur état. L'expérience a indiqué qu'Einstein avait tort; cependant, il y avait encore des lacunes: une

lacune de localité: la manipulation des particules doit être indépendante. Premièrement, ils doivent être aléatoires (vous aurez besoin d'un générateur de nombres aléatoires matériel); deuxièmement, les informations d'une manipulation ne doivent pas atteindre une autre avant son achèvement (ce qui signifie que vous devez les diffuser dans un espace suffisamment éloigné les unes des autres).

Faille de détection : les particules enchevêtrées sont généralement des photons et l'efficacité de détection des photons simples n'est pas très élevée. De nombreux photons ne sont pas détectés et peuvent en principe transmettre des informations. Pour combler cette lacune, vous devez utiliser des photodétecteurs très efficaces; ou remplacer les photons par autre chose.

Les deux échappatoires ont été fermées séparément pendant longtemps. Cette année a été marquée par la fermeture simultanée des deux échappatoires en une seule expérience; De plus, cela a été réalisé simultanément par trois groupes - des Pays - Bas , de l' Autriche et du NIST au Colorado. Cela correspond bien à la mécanique quantique. Cependant, après l'apparition de ces nouvelles failles, liées cette fois au mécanisme d'intrication des particules; cependant, il n'est pas encore clair si elles sont si importantes.

Radiographie 3D pour le virus

Savez-vous comment la structure de l'ADN a été découverte? Il s'agit d'une histoire merveilleuse , dans laquelle la cristallographie aux rayons X a joué un rôle important. Si vous brillez sur la molécule avec un rayonnement X, alors à la suite de l'interaction avec elle, elle forme un motif de diffraction à partir duquel vous pouvez restaurer la structure de la molécule. Le problème est que le diagramme de diffraction d'une seule molécule est très flou. Pour améliorer le contraste, de nombreuses molécules identiques sont collectées dans un cristal pour ajouter un signal faible de chacune d'elles en un seul fort.

Certaines molécules sont faciles à assembler en cristal, d'autres (comme l'ADN) sont un peu plus compliquées. Mais que faire si la molécule ne cristallise pas du tout? Jusqu'à récemment, il semblait que, dans ce cas, rien ne pouvait être fait. Tout a changé cette année: collaboration du monde entierutilisé une source lumineuse de rayons X pour éclairer un énorme mimivirus sous différents angles et obtenir 198 modèles de diffraction plus ou moins clairs. Un algorithme itératif complexe a mis ces données dans une image en trois dimensions, à partir de laquelle il a été possible de déterminer la forme du virus. Le résultat était un modèle 3D (image en bas à droite) avec une résolution de 125 nm. Bien que ce ne soit pas beaucoup, la principale percée de ce travail est que les algorithmes modernes et les sources de rayons X lumineuses nous permettent de découvrir la structure d'une seule molécule.

Atlas mondial de la matière noire

Une partie importante de la matière dans l'Univers est de la matière noire - une substance invisible soumise uniquement à une interaction gravitationnelle. Pour cette raison, sa présence ne peut être détectée que comme une masse supplémentaire, ce qui, par exemple, explique pourquoi les bords des galaxies tournent plus rapidement qu'ils ne le devraient. Et les objets massifs, comme vous le savez, courbent l'espace-temps. Des objets très lourds (tels que des trous noirs) entraînent des lentilles gravitationnelles et des croix d'Einstein ; les plus claires - comme de grandes zones de matière sombre - des images légèrement «étirées».

Cette fonctionnalité a été utilisée par une grande collaboration internationale pour compiler une grande carte de la matière noire.. Les astronomes ont analysé les données du télescope au Chili, déterminant l'allongement de l'image des galaxies. S'il n'y avait pas d'objets massifs sur leur chemin, les images ne seraient pas déformées. La présence de matière noire comprime l'image et vous permet de déterminer la masse de matière noire avec une précision assez élevée. Après avoir analysé les images de deux millions de galaxies, les astronomes ont pu compiler une carte assez détaillée de la distribution de la matière noire dans l'univers. Soit dit en passant, ce travail est effectué dans le cadre d'une étude à grande échelle de Dark Energy Survey, et aujourd'hui seulement 3% des données attendues ont été traitées - ce qui signifie que dans les années à venir, la carte deviendra plus détaillée.

Semi-métaux de Vale

Il y a quatre-vingts ans, le mathématicien allemand Weil a proposé une équation décrivant les particules élémentaires de masse nulle et de chiralité non nulle. Du nom de l'auteur, ils étaient appelés fermions de Weil. Aucune particule élémentaire n'a été trouvée; mais il s'est avéré que la même équation peut décrire le comportement des électrons dans certains demi-métaux. Cette année, à la même époque, deux groupes de Princeton et de Pékin ont découvert que c'est ainsi que les électrons se comportent dans l'arséniure de tantale (TaAs). Un autre groupe du MIT a étudié non pas les électrons dans un cristal périodique TaAs, mais les photons dans une structure périodique artificielle - un cristal photonique. Ils ont également réussi à voir que le comportement du système de photons coïncide avec celui prédit par Weil.

En général, le comportement des électrons dans l'arséniure de tantale est très similaire à leur comportement dans le graphène: dans les deux matériaux, les électrons ont une masse efficace nulle. C'est la raison de la perspective d'une découverte: comme le graphène, l'arséniure de tantale peut être utilisé comme un matériau avec une mobilité gigantesque de porteurs de charge et une résistance électrique extrêmement faible.

Qubits - en orbite!

La transmission d'informations à l'aide de la lumière est simple et pratique. Pour les bits classiques «0» et «1», il est habituel d’encoder en allumant ou éteignant la source lumineuse. Les bits quantiques (qubits) peuvent être une combinaison de zéro et d'un, et la polarisation de la lumière est généralement utilisée pour leur transmission: verticale - "0", horizontale - "1", les autres états correspondent aux combinaisons "0" et "1". Aujourd'hui, les qubits sont transmis avec succès via des fibres optiques (réseaux quantiques près de Vienne et de Genève de 50 à 80 km de long) et en plein air (jusqu'à 150 km).

Est-il possible d'envoyer un qubit encore plus loin? Une collaboration italienne a osé envoyerdes photons qubit au satellite, où ils ont été réfléchis par le réflecteur d'angle et retournés sur Terre. Le but de l'expérience était de comprendre à quel point le qubit est déformé après un tel vol, et s'il sera possible de le "lire". Cinq satellites différents ont été utilisés à des fins de comparaison: l'un d'eux a délibérément déformé la polarisation et devrait ruiner irréversiblement le qubit, les quatre autres ne devraient pas introduire de distorsions. Les attentes se sont confirmées: le canal de communication à travers l'atmosphère s'est avéré être calme, et nous avons réussi à lire les informations quantiques après un vol de mille kilomètres. Et cela signifie que la cryptographie quantique dans l'espace approche à grands pas.

Microscope de Fermion

Toutes les particules que nous connaissons sont divisées en bosons (avec un spin entier) et fermions (avec un spin demi-entier). Un nombre quelconque de bosons peuvent occuper le même niveau d'énergie. Par exemple, les bosons occupant un état avec une énergie minimale forment un condensat de Bose-Einstein; sa découverte a reçu le prix Nobel, et de nombreuses études ont clarifié beaucoup de nuances dans la mécanique quantique et les domaines connexes.

Les choses ne sont pas si simples avec les fermions: le principe de Pauli interdit à plus de deux fermions d'occuper un même niveau d'énergie. Bien que si les fermions sont éloignés les uns des autres (à une distance de micron), ils ne se sentent presque pas et peuvent rester au même niveau. Cette année, pas moins de trois laboratoires du MIT , de Harvard et de Glasgowréussi à refroidir de nombreux fermions (atomes de lithium ou de potassium) à un état avec une énergie minimale; placez-les dans les nœuds d'un réseau rectangulaire de manière à ce qu'ils "n'interfèrent pas" entre eux et réussissez à les photographier (c'est un art distinct). Les plans futurs forcent les fermions des nœuds voisins à interagir les uns avec les autres. Cela ouvrira une nouvelle page en physique et permettra de simuler le comportement des électrons (qui sont aussi des fermions) dans différents systèmes. Par exemple, la simulation des supraconducteurs peut éclairer leurs caractéristiques et permettre la création de nouveaux supraconducteurs à haute température.

Il est temps de faire sauter les balles

Il semblerait que ce qui pourrait être intéressant dans un ballon éclatant? Il s'avère que cela peut être important pour comprendre les processus de propagation des défauts dans une variété de structures; et la balle est un système modèle idéal pour une telle enquête: elle coûte un sou et il est incroyablement facile de travailler avec elle. Cela a motivé des chercheurs parisiens , qui ont découvert que le ballon explose de manières complètement différentes, selon son gonflage.

L'énergie de la balle gonflée est stockée sous forme de tension élastique de la coque; une crevaison vous permet de supprimer ce stress et de remettre la coque dans sa forme d'origine. Il s'avère qu'avec une crevaison, le ballon cherche à se débarrasser de l'énergie stockée de la manière la plus rapide possible. Si la tension de la gaine est faible (par exemple, si vous avez poussé une balle légèrement gonflée avec une aiguille), la perforation se propage dans deux directions jusqu'à ce que tout l'air sorte. Si la tension de la coque était élevée (nous avons gonflé la balle jusqu'à ce qu'elle éclate), alors une seule pause ne suffit pas pour que l'énergie soit libérée assez rapidement. Il devient avantageux de former non pas une, mais plusieurs lacunes se propageant radialement à partir d'une ponction:

Plus le ballon est gonflé, plus les discontinuités radiales se forment. Ce résultat apparemment curieux s'est révélé très intéressant pour étudier la fragmentation et le comportement des défauts et défauts similaires dans différents systèmes. Des recherches antérieures (principalement théoriques) ont été consacrées au comportement des discontinuités qui se croisent ou fusionnent. Une nouvelle œuvre lui a ouvert les yeux sur le fractionnement de tels défauts.

Ces découvertes ont été retenues par l'année sortante. Nous espérons que l'année à venir ne sera pas moins intéressante =).

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