📣 🎼 🧑🏼 Resultados físicos do ano 🧜🏾 🧑🏽‍🤝‍🧑🏼 🛬

Olá Giktayms! Os últimos dias de dezembro estão no quintal, o que significa que é hora de fazer um balanço do ano que termina com a Comunidade Física Americana. Além da descoberta das desigualdades de pentaquark e Bell, mimivírus, matéria escura e balões estourados foram incluídos na lista curta . Bem-vindo ao gato.

LHC, me dê cinco!

De acordo com o Modelo Padrão, os blocos de construção do universo são seis partículas elementares chamadas quarks (e algumas outras, mas hoje não é sobre elas). Devido à natureza da interação, os quarks não são observados individualmente, mas são coletados em grupos de dois ou três. Por exemplo, um próton e um nêutron são compostos de três quarks.

Existem partículas que consistem em um número maior de quarks? Essa pergunta foi feita meio século atrás, e a resposta final “yes” da colaboração do LHCb foi dita apenas em agosto deste ano. Um truque experimental foi necessário para a descoberta: o Large Hadron Collider colide duas partículas com tanta energia selvagem que uma nuvem de uma enorme quantidade de produtos em decomposição se forma. É quase impossível rastrear as trajetórias de produtos individuais nesse mingau.

Felizmente, a maioria dos produtos de decomposição vive muito pouco. Os mais longevos conseguem fugir do ponto de colisão, onde é muito mais fácil observar suas trajetórias. Por exemplo, os bárions lambda se comportam dessa maneira: a vida deles é suficiente para voar a uma distância considerável e chegar lá no cobiçado pentaquark e K-meson. Portanto, os autores do trabalho rastrearam propositalmente apenas as decadências do lambda baryon, o que lhes permitiu detectar nem um, mas dois pentaquarks.

O fim do realismo local

De acordo com a mecânica quântica moderna, manipulações com a partícula A podem mudar instantaneamente o estado de uma partícula arbitrariamente distante B sem nenhum canal de comunicação. Em certo sentido, isso indica transmissão superluminal de informações. Einstein não conseguiu suportar isso: na teoria especial da relatividade, a velocidade de qualquer interação na natureza é estritamente limitada pela velocidade da luz. Um pouco mais tarde, Bell propôs um experimento que permitiu resolver a contradição. A idéia era criar duas partículas emaranhadas, realizar manipulações independentes com elas e medir seu estado. O experimento indicou que Einstein estava errado; no entanto, ainda havia algumas brechas: uma

brecha na localidade: manipulação de partículas deve ser independente. Primeiro, eles devem ser aleatórios (você precisará de um gerador de números aleatórios de hardware); segundo, as informações de uma manipulação não devem chegar a outra antes de sua conclusão (o que significa que você precisa espalhá-las no espaço o suficiente uma da outra).

Brecha de detecção : geralmente as partículas emaranhadas são fótons, e a eficiência de detecção de fótons únicos não é muito alta. Muitos fótons permanecem sem serem detectados e, em princípio, podem transmitir informações. Para fechar essa brecha, você precisa usar fotodetectores muito eficazes; ou substitua fótons por outra coisa.

Ambas as lacunas foram fechadas separadamente por um longo tempo. Este ano foi marcado pelo fechamento simultâneo de ambas as brechas em um experimento; Além disso, isso foi alcançado simultaneamente por três grupos - da Holanda , Áustria e NIST no Colorado. Isso se encaixa muito bem com a mecânica quântica. No entanto, depois que essas novas brechas apareceram, desta vez relacionadas ao mecanismo de emaranhamento de partículas; no entanto, ainda não está claro se eles são tão significativos.

Raio X 3D para o vírus

Você sabe como a estrutura do DNA foi descoberta? Esta é uma história maravilhosa , na qual a cristalografia de raios-X teve um papel importante. Se você brilha na molécula com radiação de raios-x, como resultado da interação com ela, ela forma um padrão de difração a partir do qual você pode restaurar a estrutura da molécula. O problema é que o padrão de difração de uma única molécula é muito nebuloso. Para aumentar o contraste, muitas moléculas idênticas são coletadas em um cristal para adicionar um sinal fraco de cada uma delas em um forte.

Algumas moléculas são fáceis de montar em um cristal, outras (como o DNA) são um pouco mais complicadas. Mas e se a molécula não cristalizar? Até recentemente, parecia que, nesse caso, nada podia ser feito. Tudo mudou este ano: colaboração de todo o mundousaram uma fonte brilhante de raios-x para iluminar um imenso vírus de diferentes ângulos e obter 198 padrões de difração mais ou menos claros. Um algoritmo iterativo complexo colocou esses dados em uma imagem tridimensional, a partir da qual foi possível determinar a forma do vírus. O resultado foi um modelo 3D (imagem inferior direita) com uma resolução de 125 nm. Embora isso não seja muito, o principal avanço deste trabalho é que algoritmos modernos e fontes brilhantes de raios-x nos permitem descobrir a estrutura de uma única molécula.

Atlas Mundial de Matéria Escura

Uma parte significativa da matéria no Universo é a matéria escura - uma substância invisível sujeita apenas à interação gravitacional. Por esse motivo, sua presença só pode ser detectada como uma massa adicional, o que, por exemplo, explica por que as bordas das galáxias giram mais rápido do que deveriam. E objetos maciços, como você sabe, dobram o espaço-tempo. Objetos muito pesados (como buracos negros) levam a lentes gravitacionais e cruzamentos de Einstein ; as mais claras - como grandes áreas de matéria escura - imagens “esticam” levemente.

Esse recurso foi usado por uma grande colaboração internacional para compilar um grande mapa de matéria escura.. Os astrônomos analisaram os dados do telescópio no Chile, determinando o alongamento da imagem das galáxias. Se não houvesse objetos maciços no caminho, as imagens não seriam distorcidas. A presença de matéria escura comprime a imagem e permite determinar a massa de matéria escura com precisão bastante alta. Depois de analisar as imagens de dois milhões de galáxias, os astrônomos conseguiram compilar um mapa bastante detalhado da distribuição da matéria escura no universo. A propósito, esse trabalho está sendo feito como parte de um estudo em larga escala do Dark Energy Survey, e hoje apenas 3% dos dados esperados foram processados - o que significa que nos próximos anos o mapa se tornará mais detalhado.

Semi Metais da Vale

Oitenta anos atrás, o matemático alemão Weil propôs uma equação descrevendo partículas elementares com massa zero e quiralidade diferente de zero. Pelo nome do autor, eles foram chamados férmions de Weil. Nenhuma partícula elementar foi encontrada; mas aconteceu que a mesma equação pode descrever o comportamento dos elétrons em alguns semimetais. Este ano, ao mesmo tempo, dois grupos de Princeton e Pequim descobriram que é assim que os elétrons se comportam no arseneto de tântalo (TaAs). Outro grupo do MIT estudou não elétrons em um cristal periódico de TaAs, mas fótons em uma estrutura periódica feita pelo homem - um cristal fotônico. Eles também conseguiram ver que o comportamento do sistema de fótons coincide com o previsto por Weil.

Em geral, o comportamento dos elétrons no arseneto de tântalo é muito semelhante ao comportamento no grafeno: nos dois materiais, os elétrons têm massa efetiva zero. Essa é a razão da perspectiva de descoberta: como o grafeno, o arseneto de tântalo pode ser usado como um material com mobilidade gigantesca de portadores de carga e resistência elétrica extremamente baixa.

Qubits - em órbita!

A transmissão de informações usando a luz é fácil e conveniente. Para os bits clássicos "0" e "1", é habitual codificar ligando ou desligando a fonte de luz. Os bits quânticos (qubits) podem ser uma combinação de zero e um, e a polarização da luz é normalmente usada para sua transmissão: vertical - "0", horizontal - "1", outros estados correspondem às combinações "0" e "1". Hoje, os qubits são transmitidos com sucesso por meio de fibras ópticas (redes quânticas próximas a Viena e Genebra com 50 a 80 km de comprimento) e pelo ar aberto (até 150 km).

É possível enviar um qubit ainda mais? A colaboração italiana se aventurou a enviarfótons qubit para o satélite, onde foram refletidos pelo refletor de canto e retornados de volta à Terra. O objetivo do experimento era entender o quanto o qubit é distorcido após esse vôo e se será possível "lê-lo". Cinco satélites diferentes foram usados para comparação: um deles distorceu deliberadamente a polarização e deveria arruinar irreversivelmente o qubit, os outros quatro não deveriam causar distorções. As expectativas foram confirmadas: o canal de comunicação através da atmosfera ficou silencioso e conseguimos ler as informações quânticas após um voo de mil quilômetros. E isso significa que a criptografia quântica no espaço está ao virar da esquina.

Microscópio de Fermion

Todas as partículas conhecidas por nós são divididas em bósons (com um giro inteiro) e férmions (com um giro meio inteiro). Qualquer número de bósons pode ocupar o mesmo nível de energia. Por exemplo, os bósons que ocupam um estado com energia mínima formam um condensado de Bose-Einstein; sua descoberta recebeu o Prêmio Nobel, e vários estudos esclareceram muitas nuances na mecânica quântica e em campos relacionados.

As coisas não são tão simples com os férmions: o princípio de Pauli proíbe mais de dois férmions de ocupar um nível de energia. Embora os férmions estejam longe um do outro (a uma distância de mícrons), eles quase não se sentem e podem permanecer no mesmo nível. Este ano, até três laboratórios do MIT , Harvard e Glasgowconseguiu resfriar muitos férmions (átomos de lítio ou potássio) até um estado com energia mínima; coloque-os nos nós de uma treliça retangular para que eles não "interfiram" um com o outro e fotografem com sucesso (essa é uma arte separada). Os planos futuros estão forçando os férmions nos nós vizinhos a interagirem entre si. Isso abrirá uma nova página na física e permitirá simular o comportamento dos elétrons (que também são férmions) em diferentes sistemas. Por exemplo, a simulação de supercondutores pode esclarecer suas características e permitir a criação de novos supercondutores de alta temperatura.

Hora de explodir bolas

Parece que o que poderia ser interessante em um balão estourando? Acontece que isso pode ser importante para a compreensão dos processos de propagação de defeitos em uma variedade de estruturas; e a bola é um sistema modelo ideal para essa investigação: custa um centavo e é incrivelmente fácil trabalhar com ela. Isso motivou pesquisadores de Paris , que descobriram que a bola explode de maneiras completamente diferentes, dependendo de como ela é inflada.

A energia da bola inflada é armazenada na forma de tensão elástica da concha; uma punção permite remover esse estresse e retornar a concha à sua forma original. Acontece que, com um furo, a bola procura se livrar da energia armazenada da maneira mais rápida possível. Se a tensão da bainha for pequena (digamos, se você espetar uma bola levemente inflada com uma agulha), a punção se espalhará em duas direções até que todo o ar saia. Se a tensão da concha era alta (inflamos a bola até que ela rebentasse), uma única ruptura não é suficiente para que a energia seja liberada com rapidez suficiente. Torna-se benéfico formar não uma, mas várias lacunas que se propagam radialmente a partir de uma punção:

Quanto mais forte a bola foi inflada, mais descontinuidades radiais são formadas. Esse resultado aparentemente curioso acabou sendo muito interessante para estudar a fragmentação e o comportamento de falhas e defeitos semelhantes em diferentes sistemas. Pesquisas anteriores (principalmente teóricas) foram dedicadas ao comportamento de descontinuidades cruzadas ou mescladas. Um novo trabalho abriu seus olhos para a divisão de tais defeitos.

Essas descobertas foram lembradas no ano que se encerra. Esperamos que o próximo ano não seja menos interessante =).

Resultados físicos do ano