Главная / Наука / Ученым удалось измерить силы слабых взаимодействий между протонами и нейтронами с самой высокой на сегодняшний день точностью

Ученым удалось измерить силы слабых взаимодействий между протонами и нейтронами с самой высокой на сегодняшний день точностью

Ученым удалось измерить силы слабых взаимодействий между протонами и нейтронами с самой высокой на сегодняшний день точностью

Используя имеющее в их распоряжении уникальное оборудование, ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж измерили силы слабых взаимодействий между нейтронами и протонами с рекордным на сегодняшний день уровнем точности. И интересен тот факт, что значение измеренных сил в точности соответствует том, что определяется Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Отметим, что Стандартная модель описывает не только все существующие во Вселенной элементарные частицы, но и фундаментальные силы, посредством которых эти частицы взаимодействуют друг с другом. Силы слабых ядерных взаимодействий являются одним из четырех видов фундаментальных сил наряду с силами сильных ядерных взаимодействий, силами электромагнетизма и гравитации. Слабые ядерные силы отвечают за взаимодействие субатомных частиц, называемых кварками, из которых, в свою очередь, состоят протоны и нейтроны. Более того, силы слабых взаимодействий несут ответственность за процессы радиоактивного распада ядер атомов нестабильных элементов. Существует и множество других аспектов, относящихся к силам слабых взаимодействий, одни из которых давно изучены и понятны людям, а другие пока представляют собой неизвестную величину.

Проведенный учеными эксперимент носит название n3He (n-helium-3), а выполнялся он при помощи установки-источника нейтронов SNS (Spallation Neutron Source). В эксперименте использовался гелий-3, стабильный изотоп гелия, состоящий из двух протонов и одного нейтрона. Отметим, что это изотоп уникален, он является единственным в природе, у которого в ядре имеется больше протонов, чем нейтронов.

Когда ядро гелия-3 сталкивается с нейтроном, выработанным источником SNS, получается возбужденный нестабильный изотоп гелия-4, который моментально распадается на один протон и тритон (ядро трития, изотопа водорода, состоящее из одного протона и двух нейтронов). Обе эти частицы, движущиеся через газообразный гелий в сторону мишени, являются источниками очень слабого сигнала, который, тем не менее, поддается детектированию высокочувствительным оборудованием. И на основе полученных данных ученые произвели расчеты сил слабых ядерных взаимодействий.

Отметим, что эксперимент n-helium-3 очень похож на предыдущий эксперимент этой серии NPDGamma, в котором использовалась мишень из жидкого водорода, а слабые взаимодействия между протонами и нейтронами приводил к возникновению слабых гамма-лучей.

В новом эксперименте точность измерения сил слабых взаимодействий была увеличена за счет реализации сразу нескольких идей. Первая идея заключалась в упорядочивании вращения ядер изотопов гелия-3, за что отвечала одна из частей установки. Еще одна часть установки при помощи магнитного поля выравнивала луч нейтронов так, что вращение этих частиц (спин) происходило только в одной плоскости, но в разных направлениях. Вращение ядер изотопа гелия-3 и нейтронов синхронизировалось таким образом, что их максимальное количество вступало в реакцию, производя сигналы, регистрируемые высокочувствительными датчиками.

Второй задачей, с которой успешно справились ученые, стала изоляция активного объема экспериментальной камеры от внешней среды, что позволило снизить до допустимого уровня внешние шумы и помехи. Датчики эксперимента n-helium-3 должны чувствовать сигналы, сила которых в 100 миллионов раз меньше силы фонового шума. «И без дополнительной защиты все это походило бы на поиски иголки в 10-метровом хранилище, под потолок забитым сеном» — пишут исследователи.

Данные эксперимента n-helium-3 собирались и анализировались непрерывно на протяжении года. Столь большой объем данных позволил выделить и измерить так называемую силу нарушения паритета, которая является одним из видов проявления сил слабых взаимодействий и не имеет отношения к силам сильных взаимодействий, электромагнетизму и гравитации.

И в заключение следует отметить, что данные, полученные в экспериментах n-helium-3 и NPDGamma, позволят физикам-ядерщикам уточнить роль, которую играют силы слабых взаимодействий во всем окружающем нас мире. «Прогресс в области ядерной физики требует постоянного диалога между экспериментаторами и теоретиками. Результаты экспериментов определяют эффективность имеющихся теорий, они позволяют ученым совершенствовать существующие и разрабатывать новые модели, в которых зачастую проявляются какие-то новые аспекты, требующие отдельного экспериментального подтверждения» — пишут исследователи.

Смотрите также

Linac 4 — новый мощный линейный ускоритель, который будет «кормить» протонами кольцо Большого Адронного Коллайдера

Linac 4 - новый мощный линейный ускоритель, который будет "кормить" протонами кольцо Большого Адронного Коллайдера

Почти после двух лет простоя, связанного с ремонтными работами и очередной модернизацией, Большой Адронный Коллайдер начинает подавать первые признаки своего «возвращения к жизни». Этими признаками стало включение нового мощного линейного ускорителя частиц Linac 4, который к настоящему моменту уже успел пройти ряд начальных тестов. Все эти тесты были направлены на проверку его возможности производить намного более высокоэнергетические лучи разогнанных частиц, чем это мог сделать его предшественник, ускоритель Linac 2, который находился в распоряжении Европейской организации ядерных исследований CERN последние 40 лет.

Напомним нашим читателям, что коллайдер был остановлен в декабре 2018 года с целью его глубокой модернизации, получившей название HL-LHC (High-Luminosity Large Hadron Collider). Когда коллайдер, являющийся самым большим и мощным ускорителем частиц в мире, будет выведен на полную мощность в 2026 году, он станет в семь раз мощнее, чем до последней модернизации. И за счет этого он сможет обеспечить ученым в десять раз большее количество данных, чем собиралось ранее за сопоставимые промежутки времени.

Как уже упоминалось выше, новый линейный ускоритель Linac 4 уже был полностью смонтирован и в течение последних нескольких недель проводились его первые тесты. Этот ускоритель является отправной точкой работы всего коллайдера в целом, ускоренные им протоны подаются в синхротронный ускоритель Proton Synchrotron (PS) Booster и оттуда дальше — в основное кольцо коллайдера. Энергия протонов, которые будут подаваться в ускоритель PS с ускорителя Linac 4, составит 160 МэВ, для сравнения, протоны на выходе ускорителя Linac 2 имели энергию порядка 50 МэВ. Ускоритель PS, используя более высокоэнергетические входящие лучи, сможет разогнать их уже до энергии в 2 ГэВ.

До середины августа этого года ускоритель Linac 4 вырабатывал только низкоэнергетические лучи, используя для их разгона только свою правую половину. 20 августа было произведено первое включение ускорителя, в котором была задействована его полная длина, и на выходе появились первые лучи максимальной мощности. Эти лучи были направлены в специальную ловушку, которая поглощает высокоэнергетические частицы, не производя потоков вторичного излучения.

Дальнейшие испытания ускорителя Linac 4 будут продолжаться еще несколько месяцев. В сентябре разогнанные лучи протонов уже будут посланы в сторону ускорителя PS через специальную линию «накачки». Но эти лучи также закончат свой путь внутри ловушки. Первый же луч, который будет уже подан в ускоритель PS, будет сгенерирован ускорителем Linac 4 7 декабря этого года. А первые лучи начнут циркулировать в кольце Большого Адронного Коллайдера с сентября 2021 года, на четыре месяца позже заранее запланированного срока, что связано с пандемией, вызванной вирусом COVID-19.

Linac 4 - новый мощный линейный ускоритель, который будет "кормить" протонами кольцо Большого Адронного Коллайдера

Почти после двух лет простоя, связанного с ремонтными работами и очередной модернизацией, Большой Адронный Коллайдер начинает подавать первые признаки своего «возвращения к жизни». Этими признаками стало включение нового мощного линейного ускорителя частиц Linac 4, который к настоящему моменту уже успел пройти ряд начальных тестов. Все эти тесты были направлены на проверку его возможности производить намного более высокоэнергетические лучи разогнанных частиц, чем это мог сделать его предшественник, ускоритель Linac 2, который находился в распоряжении Европейской организации ядерных исследований CERN последние 40 лет.

Напомним нашим читателям, что коллайдер был остановлен в декабре 2018 года с целью его глубокой модернизации, получившей название HL-LHC (High-Luminosity Large Hadron Collider). Когда коллайдер, являющийся самым большим и мощным ускорителем частиц в мире, будет выведен на полную мощность в 2026 году, он станет в семь раз мощнее, чем до последней модернизации. И за счет этого он сможет обеспечить ученым в десять раз большее количество данных, чем собиралось ранее за сопоставимые промежутки времени.

Как уже упоминалось выше, новый линейный ускоритель Linac 4 уже был полностью смонтирован и в течение последних нескольких недель проводились его первые тесты. Этот ускоритель является отправной точкой работы всего коллайдера в целом, ускоренные им протоны подаются в синхротронный ускоритель Proton Synchrotron (PS) Booster и оттуда дальше — в основное кольцо коллайдера. Энергия протонов, которые будут подаваться в ускоритель PS с ускорителя Linac 4, составит 160 МэВ, для сравнения, протоны на выходе ускорителя Linac 2 имели энергию порядка 50 МэВ. Ускоритель PS, используя более высокоэнергетические входящие лучи, сможет разогнать их уже до энергии в 2 ГэВ.

До середины августа этого года ускоритель Linac 4 вырабатывал только низкоэнергетические лучи, используя для их разгона только свою правую половину. 20 августа было произведено первое включение ускорителя, в котором была задействована его полная длина, и на выходе появились первые лучи максимальной мощности. Эти лучи были направлены в специальную ловушку, которая поглощает высокоэнергетические частицы, не производя потоков вторичного излучения.

Дальнейшие испытания ускорителя Linac 4 будут продолжаться еще несколько месяцев. В сентябре разогнанные лучи протонов уже будут посланы в сторону ускорителя PS через специальную линию «накачки». Но эти лучи также закончат свой путь внутри ловушки. Первый же луч, который будет уже подан в ускоритель PS, будет сгенерирован ускорителем Linac 4 7 декабря этого года. А первые лучи начнут циркулировать в кольце Большого Адронного Коллайдера с сентября 2021 года, на четыре месяца позже заранее запланированного срока, что связано с пандемией, вызванной вирусом COVID-19.

Новая технология позволяет получить аттосекундные импульсы света при помощи обычного промышленного лазера

Новая технология позволяет получить аттосекундные импульсы света при помощи обычного промышленного лазера

Группа исследователей из университета Центральной Флориды разработала новый метод, позволяющий получить импульсы света, длительность которых исчисляется аттосекундами, используя на входе свет, вырабатываемый обычным лазером промышленного назначения. Данное достижение открывает возможность производить фиксацию событий и делать измерения с аттосекундной точностью, что, в свою очередь, позволит ученым из самых разных областей науки изучать сверхбыстрые явления и процессы, такие, как движение электронов в атомах или молекулах в их естественных временных рамках.

«Одной из проблем областей науки, работающих с аттосекундными промежутками времени, заключается в том, что лишь несколько, около десятка лазеров во всем мире способны вырабатывать импульсы такой длительности» — рассказывает Майкл Чини (Michael Chini), один из исследователей, — «В основном это огромные дорогостоящие установки, возможностями которых могут пользоваться исследователи лишь из очень узкого круга лиц, имеющего доступ ко всему этому. Целью нашей работы является создание технологии, которая сделает использование аттосекундных импульсов более широкодоступным за счет использование самых обычных лазеров, стоимость которых не превышает 100 тысяч долларов».

Производство чрезвычайно коротких импульсов света, длительность которых сопоставима с длительностью одного колебания электромагнитной волны этого света, делается обычно при помощи импульсов света, вырабатываемых высококачественным лазером, которые пропускаются сквозь трубы, заполненные благородными газами, такими, как ксенон и аргон. За счет этого и без того уже достаточно короткие импульсы, насчитывающие около сотни циклов колебаний электромагнитной волны, сжимаются во времени.

В предложенный учеными из Флориды новый метод практически не отличается от описанного выше за исключением того, что трубы, через которые проходят импульсы света, заполняются не благородными (инертными) газами, а молекулярными газами, такими, как окись азота, имеющими линейные оптические свойства. Полученный учеными эффект сокращения длительности импульса возникает за счет того, что молекулы газа, имеющие собственную электрическую поляризацию, под воздействием электрического поля импульса света успевают выровняться и превращаются в своего рода линейный резонатор.

При помощи первой экспериментальной установки ученым удалось добиться сокращения длительности исходного импульса, которая варьировалась в диапазоне от 100 до 1000 циклов, до длительности в 1.6 длительности цикла электромагнитной волны. В этом методе ключевыми моментами являются выбор молекулярного газа-наполнителя, частота и длительность исходных импульсов света. При правильно подобранных параметрах, в которых обязательно учитывается инерционность молекул газа, новый метод сможет обеспечить сокращение длительности импульса до времени одного колебания электромагнитной волны исходного импульса света.

Новая технология позволяет получить аттосекундные импульсы света при помощи обычного промышленного лазера

Группа исследователей из университета Центральной Флориды разработала новый метод, позволяющий получить импульсы света, длительность которых исчисляется аттосекундами, используя на входе свет, вырабатываемый обычным лазером промышленного назначения. Данное достижение открывает возможность производить фиксацию событий и делать измерения с аттосекундной точностью, что, в свою очередь, позволит ученым из самых разных областей науки изучать сверхбыстрые явления и процессы, такие, как движение электронов в атомах или молекулах в их естественных временных рамках.

«Одной из проблем областей науки, работающих с аттосекундными промежутками времени, заключается в том, что лишь несколько, около десятка лазеров во всем мире способны вырабатывать импульсы такой длительности» — рассказывает Майкл Чини (Michael Chini), один из исследователей, — «В основном это огромные дорогостоящие установки, возможностями которых могут пользоваться исследователи лишь из очень узкого круга лиц, имеющего доступ ко всему этому. Целью нашей работы является создание технологии, которая сделает использование аттосекундных импульсов более широкодоступным за счет использование самых обычных лазеров, стоимость которых не превышает 100 тысяч долларов».

Производство чрезвычайно коротких импульсов света, длительность которых сопоставима с длительностью одного колебания электромагнитной волны этого света, делается обычно при помощи импульсов света, вырабатываемых высококачественным лазером, которые пропускаются сквозь трубы, заполненные благородными газами, такими, как ксенон и аргон. За счет этого и без того уже достаточно короткие импульсы, насчитывающие около сотни циклов колебаний электромагнитной волны, сжимаются во времени.

В предложенный учеными из Флориды новый метод практически не отличается от описанного выше за исключением того, что трубы, через которые проходят импульсы света, заполняются не благородными (инертными) газами, а молекулярными газами, такими, как окись азота, имеющими линейные оптические свойства. Полученный учеными эффект сокращения длительности импульса возникает за счет того, что молекулы газа, имеющие собственную электрическую поляризацию, под воздействием электрического поля импульса света успевают выровняться и превращаются в своего рода линейный резонатор.

При помощи первой экспериментальной установки ученым удалось добиться сокращения длительности исходного импульса, которая варьировалась в диапазоне от 100 до 1000 циклов, до длительности в 1.6 длительности цикла электромагнитной волны. В этом методе ключевыми моментами являются выбор молекулярного газа-наполнителя, частота и длительность исходных импульсов света. При правильно подобранных параметрах, в которых обязательно учитывается инерционность молекул газа, новый метод сможет обеспечить сокращение длительности импульса до времени одного колебания электромагнитной волны исходного импульса света.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *