Окончательные результаты американского эксперимента, объявленные во вторник, свидетельствуют: крошечная частица продолжает вести себя странно — но это хорошая новость для законов физики, какими мы их знаем
Това Холмс, физик-экспериментатор из Университета Теннесси в Ноксвилле, не участвующая в коллаборации, назвала эксперимент огромным достижением в области точности.
Мюоны — загадочные частицы, считающиеся более тяжёлыми собратьями электронов. Они вращаются как волчок в магнитном поле, и учёные изучают это движение, чтобы проверить, соответствует ли оно фундаментальному своду правил физики, известному как Стандартная модель.
Эксперименты 1960-х и 1970-х годов, казалось, указывали на то, что всё в порядке. Но тесты в Брукхейвенской национальной лаборатории в конце 1990-х — начале 2000-х годов дали неожиданные результаты: мюоны вели себя не так, как ожидалось.
Спустя десятилетия международная группа учёных решила провести эксперименты с ещё более высокой точностью. Команда запустила мюоны по магнитной кольцевой дорожке — той же, что использовалась в эксперименте в Брукхейвене, — и изучила их характерные колебания в Национальной лаборатории имени Ферми недалеко от Чикаго.
Первые два набора результатов, обнародованные в 2021 и 2023 годах, подтверждали странное поведение мюонов, что побудило физиков-теоретиков попытаться согласовать новые измерения со Стандартной моделью.
Теперь группа завершила эксперимент и опубликовала результаты измерения колебаний мюона, которые согласуются с предыдущими данными, используя более чем вдвое больше информации по сравнению с 2023 годом. Они представили свои результаты в журнале Physical Review Letters.
Пока рано говорить о том, что наше базовое понимание того, что удерживает Вселенную вместе, завершено. Пока мюоны мчались по своим дорожкам, другие учёные нашли способ более тесно согласовать их поведение со Стандартной моделью с помощью суперкомпьютеров.
Исследователям ещё предстоит проделать большую работу, поскольку они продолжают объединять свои усилия, а будущие эксперименты попытаются измерить колебания мюонов. Среди них — эксперимент в Японском комплексе по исследованиям на протонном ускорителе, который, как ожидается, начнётся ближе к концу десятилетия. Учёные также продолжают анализировать окончательные данные о мюонах, чтобы выяснить, можно ли извлечь информацию о других загадочных сущностях, таких как тёмная материя.
«Это измерение останется эталоном… на долгие годы», — сказал Марко Инкальчи из Национального института ядерной физики в Италии.
«Управляя мюонами, учёные стремятся ответить на фундаментальные вопросы, которые давно озадачивали человечество», — сказал Питер Уинтер из Аргоннской национальной лаборатории.
«Разве нам всем не любопытно понять, как устроена Вселенная?» — сказал Уинтер.
Важность памяти для квантового атомного движения на металлах
В различных технологических приложениях, связанных с генерацией и хранением химической энергии, атомы и молекулы диффундируют и реагируют на металлических поверхностях. Возможность моделирования и прогнозирования этого движения имеет решающее значение для понимания деградации материалов, химической селективности и оптимизации условий каталитических реакций. Центральное место в этом занимает правильное описание составляющих частей атомов: электронов и ядер.
Электрон невероятно лёгок — его масса почти в 2000 раз меньше, чем у даже самого лёгкого ядра. Это различие в массе позволяет электронам быстро адаптироваться к изменениям в положении ядер, что обычно позволяет исследователям использовать упрощённое «адиабатическое» описание атомного движения.
Хотя это может быть отличным приближением, в некоторых случаях электроны настолько сильно зависят от движения ядер, что нам нужно отказаться от этого упрощения и учесть связь между динамикой электронов и ядер, что приводит к так называемым «неадиабатическим эффектам».
Одним из видов неадиабатических эффектов, особенно актуальным для металлов, является электронное трение. Оно влияет на вероятность прилипания атомов и молекул к металлам, скорость, с которой они рассеивают энергию посредством вибраций, и скорость, с которой они диффундируют по металлическим поверхностям. Если бы ядра были классическими частицами, это явление можно было бы описать как воздействие на ядра электронов, оказывающих на них силу сопротивления при движении через металлическую среду.
Однако атомные ядра — это квантовые объекты, движение которых не соответствует нашей повседневной интуиции и которые сложно смоделировать на компьютере. В отличие от классических объектов, атомные ядра обладают присущей им нулевой энергией, что облегчает их выход из потенциальной ямы.
Они также могут подвергаться квантовому туннелированию, покидая яму, даже если им не хватает энергии для преодоления окружающего барьера. Эти эффекты изменяют скорость химических реакций на порядки величин, и их необходимо учитывать при моделировании, чтобы получить надёжное физическое представление.
В своей недавней работе, опубликованной в Physical Review Letters, Джордж Тренинс и Мариана Росси смогли объединить электронное трение с практической методологией для моделирования квантовых эффектов ядер, основанной на формулировке квантовой механики с помощью интегралов по траекториям.
Важно отметить, что их подход может описать силы трения, которые зависят не только от текущего состояния атомов, но и от траектории, которой они следовали в прошлом.
Сочетание этого свойства, известного как «память», с эффектами нулевой энергии позволило исследователям объяснить неожиданное согласие между более ранними классическими симуляциями и экспериментальными результатами.
«Наш подход направлен на то, чтобы получить правильный ответ по правильной причине», — говорит Тренинс. «Улавливая взаимодействие между квантовыми ядрами и электронным трением, мы можем глубже понять обмен энергией на проводящих поверхностях и помочь в разработке новых гетерогенных катализаторов, таких как одноатомные сплавы и двумерные материалы».
Росси добавляет: «Определённо интересно иметь метод, который можно применить к более сложным системам в их полной размерности. Это позволит нам изучить эти эффекты в системах, которые ранее не поддавались такому моделированию».