Гнущийся луч
Пучок электронов отклоняется постоянным магнитом в соответствии с правилом левой руки с помощью встроенных катушек Гельмгольца.
Пучок электронов отклоняется постоянным магнитом в соответствии с правилом левой руки с помощью встроенных катушек Гельмгольца.
Трое ученых получили Нобелевскую премию по физике за то, что впервые на долю секунды заглянули в сверхбыстрый мир вращающихся электронов - область, которая однажды может привести к усовершенствованию электроники или диагностике заболеваний.
Награда досталась франко-шведской физикке Анне Л'Юйе, французскому ученому Пьеру Агостини и уроженцу Венгрии Ференцу Краушу за их работу с крошечной частью каждого атома, которая вращается вокруг центра и является фундаментальной практически для всего: химии, физики, наших тел и наших гаджетов.
Вот так синхротрон выглядит внутри тоннеля. Длина кольца 240 метров. Энергия электронов 1,7 ГэВ. Ток 300 мА.
Обычно на работе некогда записывать видео. Сегодня во время плановых работ решил все-таки уделить этому пару минут. Полный оборот не прошел - небольшая секция инжекции (где в главное кольцо приходит пучок из бустерного кольца) закрыта, так как бустер не отключали и в этой части тоннеля можно нахвататься радиации.
Все твёрдые и осязаемые тела состоят из вещества, собранного в атомах и молекулах, но между частицами есть пространство, в котором как будто бы ничего нет. Если следовать этой логике, то окажется, что и сами атомы состоят из пустоты.
Внутри атомов находятся электроны — точечные частицы, которые не имеют размеров, а ядро атома примерно в 10 тысяч раз меньше самого атома. Выходит, что любой атом почти целиком состоит из пустоты — почти всё вещество атома сосредоточено в его ядре. Ядро, в свою очередь, состоит из нейтронов и протонов, а они сложены из ещё более элементарных частей, которые называются кварками. И кварки тоже не имеют размеров — это просто точки.
Примерно так атом выглядит на самом деле — миниатюрное ядро в центре электронного облака, а между ними как будто бы ничего нет (Скриншот с видео MEL Science).
Подобные рассуждения исходят из неверных допущений. На самом деле пустоты не существует — на уровне микромира (одной триллионной доли миллиметра) есть как минимум три явления, которые делают размышления о пустоте бессмысленными.
ВЕЩЕСТВО НЕ ИМЕЕТ ЧЕТКИХ ГРАНИЦ И ВООБЩЕ СОСТОИТ ИЗ ВОЛН
Поведение молекул, атомов и отдельных частиц вроде нейтронов и протонов описывает квантовая механика со своими законами. Одно из основных правил квантовой механики — принцип неопределённости Гейзенберга. В вольной трактовке он звучит так:
Нельзя с одинаковой точностью узнать местонахождение частицы и её скорость. Чем больше определена скорость частицы — тем более размыто её местоположение, и наоборот.
Это ограничение фундаментально, оно не зависит от качества измерительных приборов. Чтобы как можно точнее определить скорость частицы — нужно пронаблюдать за ней какое-то время. В таких условиях о местоположении частицы можно сказать лишь «ну, её можно обнаружить где-то в этой области».
Принцип неопределённости — следствие двойственной природы любых частиц вещества. Тот же электрон — одновременно и частица, и волна. Как всякая волна, он «размыт» в пространстве. Поэтому в атоме его изображают не точкой, а целым облаком. Там, где яркость облака ниже — электрон находится реже, но вероятность его нахождения там никогда не равна нулю.
«Расплывчатость» микрочастиц это не допущение, продиктованное несовершенством научного оборудования, а фундаментальное свойство материи. Электрон — точечная частица, но только когда его зафиксировали (измерили). Пока электрон не зафиксирован — он «расплывается» как волна. Электрон не летает точкой где-то в этой волне — он и есть волна с неопределёнными границами и размерами.
Когда атомы собраны в молекулы, их электронные облака могут пересекать и перекрывать друг друга. Так что невозможно с уверенностью говорить о том, что между атомами — абсолютно пустое пространство. Там всегда может оказаться электрон. Принцип неопределённости может «забрасывать» его даже в самые «неудобные» области, просто вероятность этого крайне мала.
Электронные облака атома водорода на разных уровнях энергии электрона (Изображение Wikimedia).
Существуют «фотографии» и даже целые «видеозаписи» атомов, где они выглядят как чётко очерченные шарики. Но это не настоящие изображения атомов как они есть, а всего лишь визуализации, построенные на собранных данных. На таких визуализациях местоположение и границы атомов всегда изображаются «в среднем». Иначе понятная картинка превратилась бы в расплывчатую кашу.
Чем масштабнее вещественное тело — тем определённее его границы и местоположение. Поэтому отдельная частица может «заполнить собой» целую комнату (и даже Вселенную, это не запрещено), а тела, которые состоят из огромного числа частиц (стулья, машины и дома), не расплываются и занимают вполне конечное и определённое место.
Впрочем, даже большие тела не избавлены от квантовой «расплывчатости», просто их волновая составляющая так сильно сокращается, что становится незаметной. Но её можно засечь высокоточным оборудованием. Так, в обсерватории LIGO с помощью лазеров учёные зафиксировали квантовое «дрожание» 40-килограммового зеркала — оно колебалось в пределах одной миллионной одной миллиардной миллиметра.
ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ – "КЛЕЙ" МИРОЗДАНИЯ
Пусть электрон с ненулевой вероятностью может проявиться где угодно — всё-таки в атоме есть «тёмные» области, где вероятность нахождения электрона крайне мала. То есть, в этих областях большую часть времени нет никаких электронов, как и протонов, как и нейтронов. Значит, там абсолютно пусто?
И снова нет. Даже в самой «тёмной» области между ядром атома и его электроном есть нечто вполне материальное — «привязь», с помощью которой ядро удерживает электрон в атоме. Эта «привязь» — поток виртуальных фотонов, которые безостановочно снуют между ядром и электроном.
Виртуальные частицы так называются, потому что их нельзя зафиксировать напрямую. Они слишком быстро исчезают, распадаясь или превращаясь в другие частицы примерно за одну триллионную одной триллионной доли секунды. Расстояние, на которое они успевают переместиться, сравнимо с их «расплывчатостью» из-за принципа неопределённости. Это позволяет виртуальным частицам нарушать некоторые законы физики.
«Нормальные» частицы вроде реальных электронов и фотонов подчиняются базовым законам физики — их импульсы однозначно связаны с энергией, а энергию они не могут брать из ниоткуда. Но виртуальные частицы могут появляться сами по себе вопреки закону сохранения энергии, могут иметь отрицательную или мнимую массу. Всё это — полная бессмыслица с точки зрения физики. Тем не менее, есть масса признаков существования виртуальных частиц.
Эти «неправильные» частицы поистине вездесущи — они безостановочно рождаются и тут же исчезают во всех точках пространства: и между атомами, и внутри атомов, и даже внутри микрочастиц. Более того, они успевают «передать информацию» от одной реальной частицы к другой, если те находятся достаточно близко. Как в случае с электроном и протоном в ядре атома.
Схема строения протона — реальные кварки, виртуальные кварки и виртуальные глюоны. Численные масштабы не соблюдены (изображение CERN).
Внутри самого протона роль виртуальных частиц становится ещё более заметной. Протон состоит из кварков — фундаментальных частиц, которые скреплены между собой «клеем» из виртуальных глюонов, частиц-переносчиков сильного взаимодействия. Там же, прямо внутри протона «бушует море» виртуальных кварков, которые постоянно появляются и исчезают, внося некоторый вклад в массу протона.
Существование таких частиц может показаться странным и неестественным: как что-то природное может нарушать законы самой же природы? Причина — в принципе неопределённости. На очень малых расстояниях и промежутках времени некоторые физические пропорции могут «сломаться», потому что энергия, масса, импульс как бы не успевают принять определённых значений.
ВЕСЬ МИР КАК ВОЗМУЩЕНИЯ КВАНТОВЫХ ПОЛЕЙ
Двойственность материи, где электрон или фотон одновременно частица и волна, может показаться очень надуманной и неуклюжей концепцией. Это вина квантовой механики: при всей математической точности она довольно плохо описывает суть материи, потому что пытается «скрестить ежа с ужом» — классическую (макроскопическую) картину мира с микроскопической.
Но можно «спуститься на уровень ниже» и перейти к квантовой теории поля — она полностью отметает классические представления о реальности. В этой теории уже нет частиц как отдельных точек или очень маленьких шариков. Всё существующее здесь представлено в виде квантовых полей, а любые частицы — лишь как возмущения этих полей, локальные всплески энергии.
Фотон и электрон как возмущения квантового поля (Скриншот с видео Fermilab).
В таком случае, идея абсолютной пустоты отпадает как несостоятельная, даже если закрыть глаза на неопределённость положения реальных частиц и на постоянное «бурление» виртуальных частиц. Любое квантовое поле — совершенно монолитная материальная сущность, которая заполняет собой каждую точку пространства и имеет в каждой точке ненулевую энергию — энергию вакуума.
Такой подход позволяет иначе взглянуть на существование виртуальных частиц. Из-за принципа неопределённости поля постоянно колеблются, создавая иллюзию рождения частиц. Далеко не всегда это нормальные, полноценные частицы. Как правило, колебания полей порождают «дефективных уродцев» с «поломанными» свойствами. В нашей Вселенной такие частицы долго не живут — они-то и называются виртуальными.
Типичная диаграмма Фейнмана, которая изображает взаимодействие двух электронов через обмен виртуальным фотоном. Как правило, волнистыми линиями на таких диаграммах обозначаются только виртуальные частицы (Изображение Dummies).
Чем ближе свойства рождённой частицы к «физическому идеалу» — тем дольше она живёт. Тем частицам, что называются реальными, просто повезло иметь нормальные, пропорциональные свойства, которые соответствуют законам физики. Поэтому разница между реальными и виртуальными частицами — чисто количественная. По сути, всё это одно и то же, только первые проходят «естественный отбор», а вторые — нет.
МАТЕРИЯ ВЕЗДЕ, ПУСТОТЫ НЕ СУЩЕСТВУЕТ
Квантовые поля буквально «вшиты» в само пространство и заполняют его. В каком-то смысле, это и есть настоящая, фундаментальная материя нашей Вселенной. То, что люди привыкли видеть в повседневной жизни — лишь волновая «рябь» квантовых полей. Считать, что между частицами ничего нет — всё равно, что смотреть на горные вершины и думать, что между ними бесконечная пустота, только потому что пелена облаков скрывает землю внизу.
Понятие пустоты в физике вообще довольно условно, что демонстрирует эффект Унру. Его описание гласит: если начать достаточно быстро ускоряться, то из «пустоты» внезапно появятся частицы тёплого газа. То есть, «пустотность» окружающей среды зависит от ускорения наблюдателя, что совсем уж непривычно и полностью противоречит человеческой интуиции.
И пусть эффект Унру до сих пор не подтверждён на опыте — он хорошо показывает, насколько беспомощными могут быть попытки человека судить о пустоте и материи за пределами своей повседневной реальности, которая составляет очень и очень небольшую часть Вселенной.
Никита Логинов, https://tjournal.ru/u/390594-nikita-loginov
Всем привет!
Наконец смог собрать всевозможные газоразрядные трубки, чтобы поэкспериментировать с ними и продемонстрировать валам, какие же опыты ставили большее 100 лет назад такие ученые, как Уильям Крукс, Вильгельм Конрад Рентген и другие.
В этом видео поиграем с электронами ( будем толкать их магнитным полем), сделаем рентген нокии 3310 и ещё всякое по мелочи.
P.s.: дизайнер обложек занят, сдаёт ЕГЭ, поэтому пока слепил то, что получилось.
Эксперимент NA64
CERN
Эксперимент NA64 в ЦЕРНе не увидел следов еще не открытых легких бозонов в процессе рассеяния электрона высоких энергий на ядрах мишени, и тем самым ограничил возможный вклад таких частиц в аномальный магнитный момент электрона. Кроме того, физики обновили верхние пороги на константу взаимодействия таких частиц с электроном. Точность полученных ограничений на вклад бозонов в аномальный магнитный момент электрона оказалась на порядок меньше той точности, с которой сейчас удается его измерять. Это значит, что существование еще не открытых легких бозонов, взаимодействующих с электроном, не позволяет объяснить отклонения магнитного момента электрона от предсказаний Стандартной модели. Статья принята к публикации в журнале Physical Review Letters, а ее препринт доступен на сайте arxiv.org.
У электрона, как и у множества других частиц в рамках Стандартной модели, есть собственный магнитный момент. Фактически это значит, что с точки зрения магнитных свойств электрон — очень маленькая магнитная стрелка с очень слабым собственным магнитным полем. В первом приближении этот магнитный момент обусловлен спином частицы, причем величина этого магнитного момента пропорциональна спину электрона с коэффициентом из фундаментальных констант и так называемого g-фактора. Согласно предсказаниям Дирака, которые ученый получил еще в 1928 году, этот g-фактор для фермионов (к ним, в частности, относится электрон) должен быть равен двойке.
Позже, однако, стало ясно, что на самом деле это не так: на магнитный момент фермионов также влияют и виртуальные частицы, которые в рамках Стандартной модели непрерывно рождаются и исчезают парами в вакууме. В первом порядке такое взаимодействие описывается однопетлевыми диаграммами Фейнмана, а в случае электрона основной вклад в его магнитный момент дает его взаимодействие с квантами электромагнитного поля, что приводит к изменению его g-фактора на тысячные доли. Для того чтобы в точности предсказать значение магнитного момента фермиона нужно учесть его взаимодействие со всеми существующими в мире частицами. Все эти вклады объединяют в так называемый аномальный магнитный момент, равный полуразности реального магнитного момента частицы и предсказанной Дираком двойки.
Получается, что аномальный магнитный момент фермионов чувствителен к существованию еще не открытых нами частиц: если измеренный магнитный момент с хорошей точностью отличается от теоретических предсказаний, то это значит, что теория что-то не учитывает. Такое открытие было бы доказательством Новой физики, а в измерениях аномального магнитного момента мюона к такому открытию уже приблизились вплотную: первые результаты эксперимент Moun g-2 действительно говорят о существенном отличии предсказаний теории и измеренных значений магнитного момента мюона. Подтверждение этого открытия позволило бы физикам косвенно доказать существование еще не открытых тяжелых частиц, ведь сам мюон относительно тяжелый и поэтому лучше взаимодействует с массивными полями.
Электрон, напротив, легкий по сравнению с мюоном, из-за чего основной вклад в его магнитный момент вносит именно электромагнитное взаимодействие. Но и тут ученые находят следы Новой физики: последние измерения аномального магнитного момента электрона в экспериментах с разными методами дают разные результаты (1, 2), и оба результата расходятся с предсказаниями Стандартной модели (один из них — на 1.6σ меньше, другой — на 2.4σ больше). Это, в частности, может означать, что электрон взаимодействует с еще не открытыми легкими бозонами, которые и влияют на его собственный магнитный момент.
Однопетлевые диаграммы Фейнмана, описывающие взаимодействие электрона со скалярным (S), псевдоскалярным (P), векторным (V) и псевдовекторным (A) бозоном.
The NA64 Collaboration / arxiv.org, 2021
Именно эту гипотезу и проверили участники эксперимента N64 в ЦЕРНе. В рамках этого эксперимента ученые сталкивали электроны с энергией 100 гигаэлектронвольт с фиксированной мишенью и следили за процессом рассеяния электронов на ядрах. Предполагается, что именно в таком взаимодействии могут рождаться легкие бозоны неизвестной природы, которые невидимы для детекторов, но о присутствии которых можно судить по унесенной ими энергии. Поэтому исследователи тщательно измеряли энергию всех продуктов такой реакции и проверяли, что в эксперименте не наблюдается «пропавшей» энергии. Для этого ученые создали модель фона в используемой установке и проанализировали данные за три года работы эксперимента, в ходе которых было зарегистрировано 284 миллиарда столкновений электронов с ядрами мишени.
Полученные ограничения на константу взаимодействия невидимых в эксперименте легких бозонов с электроном.
The NA64 Collaboration / arxiv.org, 2021
В результаты физики не смогли обнаружить в данных следов существования неизвестных науке скалярных, псевдоскалярных, векторных или псевдовекторных бозонов с массой меньше 1 гигаэлектронвольта. Эти наблюдения они использовали для того, чтобы определить максимально возможную константу взаимодействия электрона с еще не открытыми бозонами: оказалось, что накопленных данных достаточно, чтобы практически на порядок усилить ранее полученные ограничения. Кроме того, ученые оценили вклад, который такие бозоны могут вносить в суммарное значение аномального магнитного момента электрона. Полученные пороги почти на всем диапазоне энергий оказались на порядок меньше значений, найденных в экспериментах по прямому измерению аномального магнитного момента электрона. Это значит, что существование еще не открытых легких бозонов не в состоянии объяснить наблюдаемые отклонения экспериментальных данных от предсказаний Стандартной модели. Тем не менее, ученые отмечают высокую точность эксперимента NA64, которая уже превысила таковую у экспериментов по прямым измерениям магнитных моментов частиц. По мнению физиков, в будущем это позволить расширить область поиска следов Новой физики на этой экспериментальной установке.
Полученные ограничения на вклад легких бозонов в аномальный магнитный момент электрона
The NA64 Collaboration / arxiv.org, 2021
Следы Новой физики во взаимодействиях с электронами ищут и не только с помощью измерений аномального магнитного момента. К примеру, ранее мы рассказывали о том, как физики нашли следы существования темного бозона в переходах электрона между энергетическими уровнями изотопов иттербия.
Кто-нибудь из сведущих может мне объяснить феномен сего видео? Как человеку очень далекому от понимания процессов электричества в целом.