Идея 1960-х годов вдохновляет исследователей на изучение доселе недоступных квантовых состояний
Поиск новых теорий
Физики постоянно ищут новые теории, чтобы улучшить наше понимание Вселенной и решить большие нерешённые вопросы. Но есть проблема: как искать неизвестные силы или частицы, если вы не знаете, как они выглядят?
Тёмная материя
Возьмём, к примеру, тёмную материю. Мы видим признаки этого таинственного космического явления по всей Вселенной, но из чего она может состоять? Что бы это ни было, нам понадобятся новые физические теории, чтобы понять, что происходит.
Благодаря новому экспериментальному результату, опубликованному сегодня, и сопровождающим его теоретическим расчётам мы теперь можем иметь представление о том, как должна выглядеть эта новая физика — и, возможно, даже некоторые подсказки о тёмной материи.
Мюоны и новые открытия
В течение 20 лет одним из наиболее перспективных признаков новой физики была крошечная неточность в магнетизме частицы, называемой мюоном. Мюон во многом похож на электрон, но гораздо тяжелее.
Мюоны производятся, когда космические лучи — частицы с высокой энергией из космоса — достигают атмосферы Земли. Примерно 50 мюонов проходят через ваше тело каждую секунду.
Мюоны проходят через твёрдые объекты гораздо лучше, чем рентгеновские лучи, поэтому они полезны для поиска того, что находится внутри больших структур. Например, их использовали для поиска скрытых камер в египетских и мексиканских пирамидах; для изучения магматических камер внутри вулканов, чтобы прогнозировать извержения; и для безопасного просмотра внутри ядерного реактора Фукусимы после его расплавления.
В 2006 году исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории в Соединённых Штатах измерили силу магнетизма мюона с невероятной точностью. Их измерение было точным примерно до шести частей на десять миллиардов. Это эквивалентно измерению массы загруженного грузового поезда с точностью до десяти граммов. Это было сопоставлено с аналогичным впечатляющим теоретическим расчётом.
Когда исследователи сравнили два числа, они обнаружили крошечную, но значительную разницу, указывающую на несоответствие между теорией и экспериментом. Возможно, они наконец нашли новую физику, которую искали?
Чтобы найти окончательный ответ, международное научное сообщество начало 20-летнюю программу по повышению точности обоих результатов.
Эксперимент в Фермилабе
Огромный электромагнит из оригинального эксперимента был погружен на баржу и перевезён вниз по восточному побережью США, а затем вверх по реке Миссисипи в Чикаго. Там он был установлен в Фермилабе для полностью переработанного эксперимента.
Только сегодня утром исследователи объявили, что завершили этот эксперимент. Их окончательный результат по силе магнетизма мюона в 4,4 раза точнее — на полторы части на десять миллиардов.
Чтобы не отставать, теоретики также должны были внести значительные улучшения. Они сформировали Инициативу теории мюона g-2, международное сотрудничество более чем из 100 учёных, посвящённое созданию точного теоретического предсказания.
Они вычислили вклады в магнетизм мюона более чем от 10 000 факторов. Они даже включили частицу, называемую бозоном Хиггса, которая была открыта только в 2012 году.
Но был один последний камень преткновения: сильное ядерное взаимодействие, одно из четырёх фундаментальных взаимодействий во Вселенной. Вычисление наибольшего вклада в результат от сильного ядерного взаимодействия было непростой задачей.
В 2020 году Теоретическая инициатива обратилась к столкновениям между электронами и их античастицами: позитронами. Измерения этих столкновений электронов и позитронов предоставили недостающие значения, которые нам были нужны.
Вместе со всеми остальными частями это дало результат, который сильно расходился с последними экспериментальными измерениями.
Суперкомпьютерное моделирование
С тех пор две другие группы провели полное моделирование, которое согласуется с нашим, и многие другие подтвердили части нашего результата. Мы также создали новую, переработанную симуляцию, которая почти удваивает нашу точность (выпущена в виде препринта, который ещё не прошёл рецензирование или не опубликован в научном журнале).
Чтобы убедиться, что эти новые симуляции не были затронуты какими-либо предвзятыми представлениями, они были выполнены «вслепую». Данные симуляции были умножены на неизвестное число перед анализом, чтобы мы не знали, что такое «хороший» или «плохой» результат.
Затем мы провели волнующую и захватывающую встречу. Фактор ослепления был раскрыт, и мы узнали результаты многолетней работы за один раз. После всего этого наш последний результат согласуется ещё лучше с экспериментальным измерением магнетизма мюона.
Инициатива теории мюона g-2 перешла к использованию результатов симуляции вместо данных об электронах и позитронах в своём официальном прогнозе, и намёк на новую физику, похоже, исчез.
Исследователи из Института Нильса Бора, Копенгагенский университет, создали новый путь к изучению неуловимых квантовых состояний в сверхпроводящих вихрях
Существование этих состояний было предположено в 1960-х годах, но их было очень трудно проверить напрямую, потому что эти состояния сжаты в энергетические масштабы, меньшие, чем обычно можно разрешить в экспериментах.
Результат стал возможен благодаря сочетанию изобретательности и расширяющимся исследованиям в области дизайнерских материалов, созданных в лабораториях Института Нильса Бора. Он теперь опубликован в Physical Review Letters.
Вместо того чтобы пытаться наблюдать неуловимые состояния в их первоначальной обстановке, исследователи под руководством профессора Института Нильса Бора Саулюса Вайтиекена создали совершенно новую систему материалов, которая имитирует условия.
Подобно использованию хитроумного чёрного хода, они обошли первоначальные ограничения, спроектировав крошечный сверхпроводящий цилиндр и применив магнитный поток для воссоздания необходимой физики.
«Эта установка позволяет нам изучать те же квантовые состояния, но на наших собственных условиях», — говорит Саулюс. «Создавая платформу самостоятельно, мы диктуем правила».
В растущем и очень конкурентном исследовательском ландшафте в области квантовой физики эта работа демонстрирует универсальность полупроводниковой платформы для реализации и изучения новых типов квантовых состояний.
И сама полупроводниковая платформа на самом деле также является копенгагенским нововведением примерно десятилетней давности. «Мы фактически наткнулись на эти состояния случайно — как и многие научные открытия. Но как только мы поняли, на что смотрим, мы поняли, что это больше, чем просто любопытство».
«Оказывается, они могут быть полезны для создания гибридных квантовых симуляторов, которые необходимы для изучения и понимания сложных будущих материалов», — объясняет Саулюс.
Предоставлено
* Институтом Нильса Бора, Копенгагенским университетом.
dark matter. We see signs of this mysterious cosmic phenomenon throughout the universe, but what could it possibly be made of? Whatever it is, we’re going to need new physics to understand what’s going on.”,”Thanks to a new experimental result published today, and the new theoretical calculations that accompany it, we may now have an idea what this new physics should look like—and maybe even some clues about dark matter.”,”For 20 years, one of the most promising signs of new physics has been a tiny inconsistency in the magnetism of a particle called the muon. The muon is a lot like an electron but is much heavier.”,”Muons are produced when cosmic rays—high-energy particles from space—hit Earth’s atmosphere. Roughly 50 of these muons pass through your body every second.”,”Muons travel through solid objects much better than X-rays, so they are useful for finding out what is inside large structures. For example, they have been used to look for hidden chambers in Egyptian and Mexican pyramids; to study magma chambers inside volcanoes to predict volcanic eruptions; and to safely see inside the Fukushima nuclear reactor after it melted down.”,”In 2006, researchers at Brookhaven National Laboratory in the United States measured the strength of the muon’s magnetism incredibly precisely.”,”Their measurement was accurate to roughly six parts in ten billion. This is equivalent to measuring the mass of a loaded freight train to ten grams. This was compared to a similarly impressive theoretical calculation.”,”When researchers compared the two numbers, they found a tiny but significant difference, indicating a mismatch between theory and experiment. Had they finally found the new physics they’d been looking for?”,”To find a definitive answer, the international scientific community started a 20-year program to increase the precision of both results.”,”The huge electromagnet from the original experiment was loaded onto a barge and shipped down the east coast of the US and then up the Mississippi River to Chicago. There, it was installed at Fermilab for a completely overhauled experiment.”,”Just this morning, researchers announced they had finished that experiment. Their final result for the strength of the muon’s magnetism is 4.4 times more precise, at one-and-a-half parts in ten billion.”,”To keep up, theorists had to make sweeping improvements too. They formed the Muon g-2 Theory Initiative, an international collaboration of more than 100 scientists, dedicated to making an accurate theoretical prediction.”,”They computed the contributions to the muon’s magnetism from more than 10,000 factors. They even included a particle called the Higgs boson, which was only discovered in 2012.”,”But there was one last sticking point: the strong nuclear force, one of the universe’s four fundamental forces. In particular, computing the largest contribution to the result from the strong nuclear force was no easy feat.”,”It was not possible to compute this contribution in the same way as the others, so we needed a different approach.”,”In 2020, the Theory Initiative turned to collisions between electrons and their antimatter counterparts: positrons. Measurements of these electron–positron collisions provided the missing values we needed.”,”Put together with all the other parts, this gave a result that strongly disagreed with the latest experimental measurement. The disagreement was almost strong enough to announce the discovery of new physics.”,”At the same time, I was exploring a different approach. Along with my colleagues in the Budapest-Marseille-Wuppertal collaboration, we performed a supercomputer simulation of this strong contribution.”,”Our result eliminated the tension between theory and experiment. However, now we had a new tension: between our simulation and the electron–positron results which had withstood 20 years of scrutiny. How could those 20-year-old results be wrong?”,”Since then, two other groups have produced full simulations that agree with ours, and many more have validated parts of our result. We have also produced a new, overhauled simulation that almost doubles our precision (released as a preprint, which has not yet been peer-reviewed or published in a scientific journal).”,”To ensure these new simulations weren’t affected by any preconceptions, they were performed \”blind.\” The simulation data was multiplied by an unknown number before being analyzed, so we didn’t know what a \”good\” or \”bad\” result would be.”,”We then held a nerve-wracking and exciting meeting. The blinding factor was revealed, and we found out the results of years of work all at once. After all this, our latest result agrees even better with the experimental measurement of the muon’s magnetism.”,”The Muon g-2 Theory Initiative has moved to using the simulation results instead of the electron-positron data in its official prediction, and the hint of new physics seems to be gone.”,”Except … why does the electron–positron data disagree? Physicists around the globe have studied this question extensively, and one exciting suggestion is a hypothetical particle called a \”dark photon.\””,”Not only could the dark photon explain the difference between the latest muon results and the electron–positron experiments, but (if it exists) it could also explain how dark matter relates to ordinary matter.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tThe Conversation\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.![\"The](\"https://counter.theconversation.com/content/257891/count.gif?distributor=republish-lightbox-advanced\")
\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник