👋🏾 👥 👩🏻‍🎓 年度实绩 👩🏾‍⚕️ 👊🏼 🍡

你好，Giktayms！12月的最后几天在院子里，这意味着是时候与美国体育协会一起评估即将到来的一年了。除了发现五夸克和贝尔的不等式外，候选清单还包括拟病毒，暗物质和爆破气球。欢迎来到猫。

LHC，给我五个！

根据标准模型，宇宙的组成部分是六个基本粒子，称为夸克（还有其他几个，但今天与它们无关）。由于相互作用的性质，夸克不是单独观察到的，而是以两个或三个为一组收集的。例如，质子和中子由三个夸克组成。

是否存在由大量夸克组成的粒子？这个问题是半个世纪前提出的，直到今年八月，LHCb合作的最终答案是“是”。该发现需要实验性的技巧：大型强子对撞机以如此巨大的能量碰撞两个粒子，从而在其周围形成大量衰变产物云。在这种粥中几乎不可能追踪单个产品的轨迹。

幸运的是，大多数衰变产物的寿命很小。他们中寿命最长的人设法逃离了碰撞点，在碰撞点观察它们的轨迹要容易得多。例如，这就是λ重子的行为：它们的寿命足以飞过相当远的距离，并在那里分裂成令人垂涎的五夸克和K-介子。因此，这项工作的作者有目的地只监视了λ重子的衰变，这使他们甚至无法检测到一个，而是两个五夸克。

本地现实主义的终结

根据现代量子力学，对粒子A的操作可以立即更改任意距离的粒子B的状态，而无需任何通信通道。从某种意义上说，这表明信息的超光速传输。爱因斯坦根本无法忍受这一点：在相对论的特殊理论中，自然界中任何相互作用的速度都受到光速的严格限制。不久之后，贝尔提出了一个实验，可以解决这一矛盾。这个想法是创建两个纠缠的粒子，对它们执行独立的操作，然后测量它们的状态。实验表明爱因斯坦是错的。但是，这里仍然存在一些漏洞：

局部漏洞：粒子操作应独立。首先，它们必须是随机的（您将需要硬件随机数生成器）；其次，来自一种操纵的信息在完成之前不应到达另一种操纵（这意味着您需要将它们分散在足够远的空间中）。

检测漏洞：通常纠缠的粒子是光子，单个光子的检测效率不是很高。许多光子仍然未被检测到，并且原则上可以传输信息。要弥合这个漏洞，您需要使用非常有效的光电探测器。或用其他东西代替光子。

两个漏洞分别关闭了很长时间。今年以一个实验同时封闭两个漏洞为标志。此外，这是由荷兰，奥地利和科罗拉多州的NIST三个小组同时实现的。这非常适合量子力学。但是，在出现了新的漏洞之后，这一次与粒子的缠结机制有关。但是，尚不清楚它们是否如此重要。

病毒的3D X射线

您知道如何发现DNA结构吗？这是一个奇妙的故事，在其中X射线晶体学扮演了重要角色。如果您使用X射线辐射照亮分子，则由于与之相互作用，它会形成衍射图，从中可以恢复分子的结构。问题在于单个分子的衍射图非常模糊。为了增强对比度，将许多相同的分子收集在一个晶体中，以将来自每个分子的微弱信号添加为一个强分子。

有些分子很容易组装成晶体，而另一些分子（如DNA）则稍微复杂一些。但是，如果分子根本不结晶怎么办？直到最近，在这种情况下似乎什么也做不了。今年一切都变了：来自世界各地的合作使用明亮的X射线源从不同角度照亮巨大的拟病毒，并获得198个或多或少的清晰衍射图。复杂的迭代算法将这些数据放入三维图像中，由此可以确定病毒的形状。结果是分辨率为125 nm的3D模型（右下图）。尽管不是很多，但是这项工作的主要突破是现代算法和明亮的X射线源使我们能够找到一个分子的结构。

世界暗物质地图集

宇宙中物质的很大一部分是暗物质-暗物质仅受引力相互作用。因此，它的存在只能作为附加质量来检测，例如，这解释了星系边缘为何旋转得比其应有的快。如您所知，大型物体会弯曲时空。非常重的物体（例如黑洞）会导致引力透镜和爱因斯坦的十字架。较轻的图像（例如大面积的暗物质）会稍微“拉伸”图像。

大型国际合作组织使用此功能来编译大型暗物质地图。。天文学家分析了智利的望远镜数据，确定了星系图像的伸长率。如果路径中没有大的物体，则图像将不会失真。暗物质的存在会压缩图像，并允许您以相当高的精度确定暗物质的质量。在分析了两百万个星系的图像之后，天文学家能够编辑出一个相当详细的宇宙暗物质分布图。顺便说一下，这项工作是作为“暗能量调查”大规模研究的一部分而进行的，如今仅处理了3％的预期数据-这意味着在未来几年中，该地图将变得更加详细。

淡水河谷的半金属

八十年前，数学家德国人威尔（German Weil）提出了一个方程，该方程描述了质量为零且手性为非零的基本粒子。用作者的名字，它们被称为韦尔费米子。没有发现基本粒子。但是事实证明，相同的方程式可以描述某些半金属中电子的行为。今年，与此同时，普林斯顿大学和北京大学的两个小组发现，这就是电子在砷化钽（TaAs）中的行为。麻省理工学院的另一个小组不是研究TaAs周期晶体中的电子，而是研究人造周期结构中的光子-光子晶体。他们还设法看到光子系统的行为与Weil预测的一致。

通常，砷化钽中的电子行为与石墨烯中的电子行为非常相似：在两种材料中，电子的有效质量均为零。这就是发现前景的原因：像石墨烯一样，砷化钽可以用作电荷载流子的巨大迁移率和极低电阻的材料。

量子位-进入轨道！

使用光传输信息既简单又方便。对于经典位“ 0”和“ 1”，习惯上通过打开或关闭光源进行编码。量子位（qubits）可以是零和一的组合，通常使用光偏振来传输：垂直-“ 0”，水平-“ 1”，其他状态对应于组合“ 0”和“ 1”。如今，量子位已通过光纤（维也纳和日内瓦附近的量子网络，长度为50-80公里）和露天（长达150公里）成功传输。

是否可以进一步发送量子比特？意大利合作公司冒险派人量子比特的光子到达卫星，然后从角反射器反射回来并返回地球。实验的目的是了解这样的飞行后量子比特失真了多少，以及是否有可能“读取”它。比较中使用了五颗不同的卫星：其中一颗故意使极化失真并且应不可逆地破坏量子比特，另外四颗不应引入失真。期望得到了证实：通过大气层的通信通道原来是安静的，我们在飞行了1000公里后设法读取了量子信息。这意味着太空中的量子密码学指日可待。

费米子显微镜

我们已知的所有粒子都分为玻色子（整体旋转）和费米子（整体旋转为半整数）。任意数量的玻色子可以占据相同的能级。例如，玻色子占据最小能量的状态就形成了玻色-爱因斯坦凝聚体。他的发现获得了诺贝尔奖，大量研究澄清了量子力学及其相关领域中的许多细微差别。

费米子并不是那么简单：保利原理禁止两个以上的费米子占据一个能级。尽管如果费米子彼此相距很远（以微米为单位），它们几乎不会相互感觉，并且可以保持在同一水平。今年，来自麻省理工学院，哈佛大学和格拉斯哥的多达三个实验室设法将许多费米子（锂或钾原子）冷却到能量最小的状态；将它们放置在矩形格子的节点中，以使它们不会彼此“干扰”并成功拍照（这是另一种方法）。未来的计划正在迫使邻近节点中的费米子相互交流。这将打开物理学的新一页，并允许模拟不同系统中电子（也是费米子）的行为。例如，对超导体的仿真可以阐明其功能，并允许创建新的高温超导体。

是时候吹球了

似乎在爆破的气球中可能有趣的是什么？事实证明，这对于理解各种结构中缺陷的传播过程可能非常重要。球是进行此类研究的理想模型系统：它花费一分钱，而且使用起来非常容易。这激发了来自巴黎的研究人员的热情，他们发现，球爆炸的方式完全不同，具体取决于球的充气程度。

充气球的能量以弹壳的弹性形式存储；穿刺可让您消除这种压力，并使壳体恢复其原始形状。事实证明，通过刺穿，球试图以最快的方式摆脱存储的能量。如果鞘管张力较小（例如，如果您用针刺了一个稍稍膨胀的球），则穿刺会在两个方向上扩散，直到所有空气排出为止。如果壳的张力很高（我们将球充气直到破裂），则一次中断不足以使能量足够快地释放出来。形成一个缝隙而不是一个缝隙会很有益，这些缝隙沿径向从穿刺处传播：

球充气得越强，形成的径向不连续就越多。对于研究故障和不同系统中的类似缺陷的碎片和行为，这个看似好奇的结果变得非常有趣。较早的研究（主要是理论性的）致力于相交或合并不连续性的行为。一项新的作品使他看到了这种缺陷的分裂。

这些发现在即将到来的一年中得到了纪念。我们希望来年同样有趣。

年度实绩