😬 🍷 🤬 Hasil fisik tahun ini 🏗️ 👩‍🔧 👩🏼‍🎤

Halo Giktayms! Hari-hari terakhir bulan Desember adalah di halaman, yang berarti sudah waktunya untuk mengambil stok tahun keluar dengan Komunitas Fisik Amerika. Selain penemuan ketidaksetaraan pentaquark dan Bell, mimivirus, materi gelap, dan balon meledak juga dimasukkan dalam daftar pendek . Selamat datang di kucing.

LHC, beri aku lima!

Menurut Standard Model, balok-balok pembangun alam semesta adalah enam partikel elementer yang disebut quark (dan beberapa lainnya, tetapi hari ini bukan tentang mereka). Karena sifat interaksi, quark tidak diamati secara individual, tetapi dikumpulkan dalam kelompok dua atau tiga. Misalnya, proton dan neutron terdiri dari tiga quark.

Apakah ada partikel yang terdiri dari jumlah quark yang lebih besar? Pertanyaan ini diajukan setengah abad yang lalu, dan jawaban terakhir "ya" dari kolaborasi LHCb hanya disuarakan pada bulan Agustus tahun ini. Trik eksperimental diperlukan untuk penemuan ini: Large Hadron Collider bertabrakan dua partikel dengan energi liar sedemikian rupa sehingga awan dari sejumlah besar produk peluruhan terbentuk. Hampir tidak mungkin melacak lintasan masing-masing produk dalam bubur ini.

Untungnya, sebagian besar produk pembusukan hidup sangat sedikit. Mereka yang paling berumur panjang berhasil terbang jauh dari titik tabrakan, di mana lebih mudah untuk mengamati lintasan mereka. Sebagai contoh, baryon lambda berperilaku seperti ini: masa hidup mereka cukup untuk terbang jauh dan pecah di sana menjadi pentaquark dan K-meson yang didambakan. Oleh karena itu, para penulis karya dengan sengaja memantau hanya pembusukan lambda baryon, yang memungkinkan mereka mendeteksi tidak hanya satu, tetapi dua pentaquark.

Akhir dari realisme lokal

Menurut mekanika kuantum modern, manipulasi dengan partikel A dapat secara instan mengubah keadaan partikel B yang semena-mena tanpa saluran komunikasi. Dalam arti tertentu, ini menunjukkan transmisi informasi superluminal. Einstein tidak tahan dengan ini sama sekali: dalam teori relativitas khusus, kecepatan interaksi di alam sangat dibatasi oleh kecepatan cahaya. Beberapa saat kemudian, Bell mengusulkan eksperimen yang memungkinkan untuk menyelesaikan kontradiksi. Idenya adalah untuk membuat dua partikel terjerat, melakukan manipulasi independen dengannya, dan kemudian mengukur keadaan mereka. Percobaan menunjukkan bahwa Einstein salah; namun, masih ada beberapa celah di dalamnya:

celah lokalitas: manipulasi partikel harus independen. Pertama, mereka harus acak (Anda akan memerlukan generator nomor acak perangkat keras); kedua, informasi dari satu manipulasi tidak boleh mencapai yang lain sebelum selesai (yang berarti bahwa Anda perlu menyebarkannya di ruang yang cukup jauh dari satu sama lain).

Celah deteksi : partikel-partikel yang biasanya terjerat adalah foton, dan efisiensi pendeteksian foton tunggal tidak terlalu tinggi. Banyak foton tetap tidak terdeteksi, dan pada prinsipnya dapat mengirimkan informasi. Untuk menutup celah ini, Anda perlu menggunakan fotodetektor yang sangat efektif; atau ganti foton dengan sesuatu yang lain.

Kedua celah secara terpisah ditutup untuk waktu yang lama. Tahun ini ditandai oleh penutupan simultan kedua celah dalam satu percobaan; Selain itu, ini dicapai secara bersamaan oleh tiga kelompok - dari Belanda , Austria dan NIST di Colorado. Ini cocok dengan mekanika kuantum. Namun, setelah celah baru ini muncul, kali ini terkait dengan mekanisme keterikatan partikel; Namun, belum jelas apakah mereka begitu signifikan.

X-ray 3D untuk virus

Apakah Anda tahu bagaimana struktur DNA ditemukan? Ini adalah kisah yang luar biasa , di mana kristalografi sinar-X memainkan peran penting. Jika Anda menyinari molekul dengan radiasi sinar-x, maka sebagai akibat interaksi dengannya, ia membentuk pola difraksi tempat Anda dapat mengembalikan struktur molekul. Masalahnya adalah bahwa pola difraksi dari satu molekul sangat kabur. Untuk meningkatkan kontras, banyak molekul identik dikumpulkan dalam kristal untuk menambahkan sinyal lemah dari masing-masing menjadi satu yang kuat.

Beberapa molekul mudah dirakit menjadi kristal, yang lain (seperti DNA) sedikit lebih rumit. Tetapi bagaimana jika molekul itu tidak mengkristal sama sekali? Sampai baru-baru ini, tampaknya dalam hal ini tidak ada yang bisa dilakukan. Semuanya telah berubah tahun ini: kolaborasi dari seluruh duniamenggunakan sumber sinar-X cerah untuk menerangi mimivirus besar dari sudut yang berbeda dan mendapatkan 198 pola difraksi yang kurang lebih jelas. Algoritma iteratif yang kompleks menempatkan data ini ke dalam gambar tiga dimensi, yang memungkinkan untuk menentukan bentuk virus. Hasilnya adalah model 3D (gambar kanan bawah) dengan resolusi 125 nm. Meskipun ini tidak terlalu banyak, terobosan utama dari pekerjaan ini adalah bahwa algoritma modern dan sumber sinar-x yang cerah memungkinkan kita untuk mengetahui struktur satu molekul tunggal.

World Atlas of Dark Matter

Bagian penting dari materi di Semesta adalah materi gelap - suatu substansi yang tidak terlihat yang hanya tunduk pada interaksi gravitasi. Karena alasan ini, keberadaannya hanya dapat dideteksi sebagai massa tambahan, yang, misalnya, menjelaskan mengapa tepi galaksi berputar lebih cepat dari yang seharusnya. Dan benda-benda besar, seperti yang Anda tahu, membelokkan ruang-waktu. Benda yang sangat berat (seperti lubang hitam) mengarah pada pelensaan gravitasi dan persilangan Einstein ; yang lebih terang - seperti area besar materi gelap - gambar yang sedikit "melar".

Fitur ini digunakan oleh kolaborasi internasional besar untuk menyusun peta besar materi gelap.. Para astronom menganalisis data teleskop di Chili, menentukan perpanjangan gambar galaksi. Jika tidak ada benda besar di jalan mereka, gambar akan tidak terdistorsi. Kehadiran materi gelap mengompres gambar dan memungkinkan Anda untuk menentukan massa materi gelap dengan akurasi yang cukup tinggi. Setelah menganalisis gambar dua juta galaksi, para astronom mampu menyusun peta yang cukup rinci tentang distribusi materi gelap di alam semesta. Ngomong-ngomong, pekerjaan ini sedang dilakukan sebagai bagian dari studi skala besar Survei Energi Gelap, dan hari ini hanya 3% dari data yang diharapkan telah diproses - yang berarti bahwa di tahun-tahun mendatang peta akan menjadi lebih rinci.

Semi Logam Vale

Delapan puluh tahun yang lalu, ahli matematika Jerman Weil mengusulkan persamaan yang menggambarkan partikel elementer dengan nol massa dan kiralitas non-nol. Dengan nama penulisnya, mereka disebut fermion of Weil. Tidak ada partikel elementer yang ditemukan; tetapi ternyata persamaan yang sama dapat menggambarkan perilaku elektron dalam beberapa semimetal. Tahun ini, pada saat yang sama, dua kelompok dari Princeton dan Beijing menemukan bahwa ini adalah bagaimana elektron berperilaku dalam tantalum arsenide (TaAs). Kelompok lain dari MIT mempelajari bukan elektron dalam kristal periodik Taas, tetapi foton dalam struktur periodik buatan manusia - kristal fotonik. Mereka juga berhasil melihat bahwa perilaku sistem foton bertepatan dengan yang diprediksi oleh Weil.

Secara umum, perilaku elektron dalam tantalum arsenide sangat mirip dengan perilaku mereka dalam graphene: pada kedua bahan, elektron memiliki massa efektif nol. Ini menentukan prospek penemuan: seperti graphene, tantalum arsenide dapat digunakan sebagai bahan dengan mobilitas pembawa muatan raksasa dan hambatan listrik yang sangat rendah.

Qubit - ke orbit!

Mengirim informasi menggunakan cahaya mudah dan nyaman. Untuk bit klasik "0" dan "1" adalah kebiasaan untuk menyandikan dengan menyalakan atau mematikan sumber cahaya. Bit kuantum (qubit) dapat merupakan kombinasi dari nol dan satu, dan polarisasi cahaya biasanya digunakan untuk transmisi mereka: vertikal - "0", horisontal - "1", negara lain sesuai dengan kombinasi "0" dan "1". Saat ini, qubit berhasil ditransmisikan melalui serat optik (jaringan kuantum dekat Wina dan Jenewa sepanjang 50–80 km) dan melalui udara terbuka (hingga 150 km).

Apakah mungkin mengirim qubit lebih jauh? Kolaborasi Italia memberanikan diri untuk mengirimqubit foton ke satelit, di mana mereka dipantulkan dari sudut reflektor dan kembali ke Bumi. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk memahami seberapa besar qubit terdistorsi setelah penerbangan seperti itu, dan apakah mungkin untuk "membacanya". Lima satelit yang berbeda digunakan untuk perbandingan: salah satunya dengan sengaja mendistorsi polarisasi dan seharusnya merusak qubit secara permanen, empat lainnya tidak boleh menyebabkan distorsi. Harapannya dikonfirmasi: saluran komunikasi melalui atmosfer ternyata hening, dan kami berhasil membaca informasi kuantum setelah penerbangan ribuan kilometer. Dan ini berarti kriptografi kuantum di ruang angkasa sudah dekat.

Mikroskop fermion

Semua partikel yang kita kenal dibagi menjadi boson (dengan putaran utuh) dan fermion (dengan putaran setengah bilangan bulat). Sejumlah boson dapat menempati tingkat energi yang sama. Misalnya, boson yang menempati negara dengan energi minimal membentuk kondensat Bose-Einstein; penemuannya dianugerahi Hadiah Nobel, dan banyak penelitian mengklarifikasi banyak nuansa dalam mekanika kuantum dan bidang terkait.

Hal-hal yang tidak begitu sederhana dengan fermion: prinsip Pauli melarang lebih dari dua fermion untuk menempati satu tingkat energi. Meskipun jika fermion jauh dari satu sama lain (pada jarak mikron), mereka hampir tidak merasakan satu sama lain dan dapat tetap berada pada level yang sama. Tahun ini, sebanyak tiga laboratorium dari MIT , Harvard dan Glasgowberhasil mendinginkan banyak fermion (atom lithium atau kalium) ke keadaan dengan energi minimal; Tempatkan mereka di simpul kisi persegi panjang sehingga mereka tidak "saling mengganggu" dan berhasil memotret (ini adalah seni terpisah). Rencana masa depan memaksa fermion di node tetangga untuk berinteraksi satu sama lain. Ini akan membuka halaman baru dalam fisika dan memungkinkan simulasi perilaku elektron (yang juga fermion) dalam sistem yang berbeda. Sebagai contoh, simulasi superkonduktor dapat menjelaskan fitur-fiturnya dan memungkinkan penciptaan superkonduktor suhu tinggi yang baru.

Saatnya meniup bola

Tampaknya apa yang bisa menarik dalam balon yang meledak? Ternyata ini bisa penting untuk memahami proses perbanyakan cacat di berbagai struktur; dan bola adalah sistem model yang ideal untuk penyelidikan semacam itu: harganya sangat murah dan sangat mudah untuk menggunakannya. Ini memotivasi para peneliti dari Paris , yang menemukan bahwa bola meledak dengan cara yang sangat berbeda, tergantung pada seberapa menggelembungnya bola itu.

Energi bola yang digembungkan disimpan dalam bentuk tegangan elastis dari cangkang; tusukan memungkinkan Anda untuk menghilangkan stres ini dan mengembalikan shell ke bentuk aslinya. Ternyata dengan tusukan, bola berusaha untuk menghilangkan energi yang tersimpan dengan cara tercepat. Jika ketegangan sarungnya kecil (katakanlah, jika Anda menusuk bola yang sedikit melambung dengan jarum), maka tusukan itu menyebar ke dua arah hingga semua udara keluar. Jika tegangan cangkang tinggi (kami menggembungkan bola sampai pecah), maka satu penembusan tidak cukup untuk energi yang akan dilepaskan cukup cepat. Menjadi bermanfaat untuk membentuk bukan hanya satu, tetapi beberapa celah menjalar secara radial dari tusukan:

Semakin kuat bola digembungkan, semakin banyak diskontinuitas radial terbentuk. Hasil yang tampaknya aneh ini ternyata sangat menarik untuk mempelajari fragmentasi dan perilaku kesalahan dan cacat serupa di sistem yang berbeda. Penelitian sebelumnya (terutama teoretis) dikhususkan untuk perilaku memotong atau menggabungkan diskontinuitas. Sebuah karya baru membuka matanya untuk pemecahan cacat tersebut.

Penemuan ini diingat oleh tahun yang akan datang. Kami berharap tahun yang akan datang tidak kalah menarik =).

Hasil fisik tahun ini