Международная группа учёных приблизилась к лучшему пониманию поведения некоторых из самых тяжёлых частиц во Вселенной в экстремальных условиях, которые напоминают состояние сразу после Большого взрыва.
Обзорная статья, опубликованная в журнале Physics Reports, написана физиками Хуаном М. Торресом-Ринконом из Института космических наук при Университете Барселоны (ICCUB), Сантошем К. Дасом из Индийского технологического института в Гоа (Индия) и Ральфом Раппом из Техасского университета A&M (США).
Авторы опубликовали всесторонний обзор, в котором исследуется, как частицы, содержащие тяжёлые кварки (известные как очарованные и нижние адроны), взаимодействуют в горячей и плотной среде, называемой адронной материей. Эта среда создаётся на последней стадии высокоэнергетических столкновений атомных ядер, таких как те, что происходят в Большом адронном коллайдере (LHC) и Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC).
Новое исследование подчёркивает важность учёта адронных взаимодействий при моделировании для точной интерпретации данных экспериментов на этих крупных научных установках. Оно также расширяет представление о том, как материя ведёт себя в экстремальных условиях, и помогает решить некоторые важные вопросы о происхождении Вселенной.
Поведение тяжёлых частиц в горячей материи
Когда два атомных ядра сталкиваются на околосветовых скоростях, они генерируют температуры, более чем в 1000 раз превышающие температуры в центре Солнца. Эти столкновения на короткое время создают состояние материи, называемое кварк-глюонной плазмой (QGP), — суп из фундаментальных частиц, существовавший через микросекунды после Большого взрыва. По мере охлаждения эта плазма превращается в адронную материю, фазу, состоящую из таких частиц, как протоны и нейтроны, а также других барионов и мезонов.
Исследование фокусируется на том, что происходит с адронами с тяжёлым ароматом (частицами, содержащими очарованные или фоновые кварки, такие как D- и B-мезоны) во время этого перехода и последующего расширения адронной фазы.
Тяжёлые кварки подобны крошечным датчикам. Будучи настолько массивными, они образуются сразу после начального ядерного столкновения и движутся медленнее, таким образом взаимодействуя иначе с окружающей материей. Знание того, как они рассеиваются и распространяются, является ключом к пониманию свойств среды, через которую они проходят.
Исследователи рассмотрели широкий спектр теоретических моделей и экспериментальных данных, чтобы понять, как тяжёлые адроны, такие как D- и B-мезоны, взаимодействуют со светлыми частицами в адронной фазе. Они также изучили, как эти взаимодействия влияют на наблюдаемые величины, такие как поток частиц и потеря импульса.
«Чтобы действительно понять, что мы видим в экспериментах, крайне важно наблюдать за тем, как тяжёлые частицы движутся и взаимодействуют также на более поздних стадиях этих ядерных столкновений», — говорит Хуан М. Торрес-Ринкон, член Департамента квантовой физики и астрофизики и ICCUB.
«Эта фаза, когда система уже охладилась, всё ещё играет важную роль в том, как частицы теряют энергию и объединяются. Необходимо также рассмотреть микроскопические и транспортные свойства этих тяжёлых систем прямо в точке перехода к кварк-глюонной плазме», — продолжает он. «Это единственный способ достичь степени точности, требуемой современными экспериментами и моделированием».
Для лучшего понимания этих результатов можно использовать простую аналогию: когда мы бросаем тяжёлый мяч в переполненный бассейн, даже после того, как самые большие волны рассеялись, мяч продолжает двигаться и сталкиваться с людьми. Аналогично тяжёлые частицы, созданные при ядерных столкновениях, продолжают взаимодействовать с другими частицами вокруг них даже после самой горячей и хаотичной фазы.
Эти непрерывные взаимодействия тонко изменяют движение частиц, и изучение этих изменений помогает учёным лучше понять условия ранней Вселенной. Игнорирование этой фазы означало бы упустить важную часть истории.
Понимание поведения тяжёлых частиц в горячей материи имеет основополагающее значение для составления карты свойств ранней Вселенной и фундаментальных сил, управляющих ею. Полученные результаты также прокладывают путь для будущих экспериментов при более низких энергиях, таких как те, что запланированы на Суперпротонном суперсинхротроне (SPS) в ЦЕРНе и на будущей установке FAIR в Дармштадте, Германия.
Координированное поведение, подобное роению — от колоний муравьёв до стай рыб — встречается повсюду в природе. Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) вдохновились природой, создав систему роботов нового поколения, способную к движению, исследованию, транспортировке и сотрудничеству.
Исследование, описывающее новую мягкую роботизированную систему, было опубликовано в Science Advances. Его возглавляли Л. Махадеван, профессор прикладной математики, физики, организменной и эволюционной биологии в SEAS и на факультете искусств и наук, в сотрудничестве с профессором Хо-Янгом Кимом из Сеульского национального университета. Их работа открывает новые направления для будущей низкоэнергетической групповой робототехники.
Новые роботы, называемые линк-ботами, состоят из сантиметровых 3D-печатных частиц, соединённых в V-образные цепи с помощью зубчатых звеньев, и способны к скоординированным, похожим на жизнь движениям без каких-либо встроенных систем питания или управления. Ноги каждой частицы наклонены, что позволяет роботу самопроизвольно двигаться при размещении на равномерно вибрирующей поверхности.
Цепные боты вдохновлены колониями муравьёв или группами клеток, которые демонстрируют то, что физики называют «эмерджентным коллективным поведением», несмотря на то, что состоят из простых отдельных единиц. Это контрастирует с традиционными роями роботов, такими как дроны или небольшие отдельные роботы, которые обычно полагаются на энергоёмкие компоненты, такие как датчики, беспроводная связь или алгоритмы управления.
«С физической и вычислительной точки зрения взаимодействия между линк-ботами действительно просты, даже несмотря на то, что они демонстрируют внешне очень сложное поведение», — сказал Махадеван. «С большим количеством этих агентов вы получаете ряд эмерджентных поведений».
Команда продемонстрировала, что линк-боты могут коллективно двигаться вперёд, останавливаться и менять направление у стены, просто модифицируя свои структуры связей. Они могут протискиваться через зазоры, блокировать отверстия, окружать и переносить объекты. Несколько линк-ботов могут координировать свои действия для выполнения задач, слишком сложных для одного робота, таких как преодоление препятствия.
Чтобы понять поведение, постдокторант SEAS Кимберли Боуэл разработала вычислительную модель, которая имитирует, как различные конструкции связей и количество частиц влияют на движение. Модель помогла команде понять параметры, которые было трудно исследовать экспериментально, и предсказать новое поведение.
«Было интересно показать, что одни лишь физические ограничения связи могут управлять программируемым поведением, реагирующим на окружающую среду», — сказала Боуэл. «Меня особенно вдохновляет эта парадигма проектирования, в которой роботизированная функция и интеллект возникают из коллективной геометрии и взаимодействия, а не из централизованного управления или сложных индивидуумов».
Махадеван, которого давно увлекает мир природы, сказал, что принципы, которые команда демонстрирует с помощью своих линк-ботов, однажды могут сделать возможными такие приложения, как механизмы сортировки или транспортировка пассивных объектов. В более широком смысле, по его словам, они могут показать, как эмерджентное функциональное поведение в коллективах может возникать без плана или планировщика.
«В некотором смысле этот подход противоположен запланированному проектированию», — сказал он. «При проектировании вы говорите этому роботу сделать то или это, и вы всё планируете, и они идут и выполняют свою работу. Но мы говорим, что именно эта самоорганизация и возникновение, возникающие в результате простых взаимодействий, настолько мощны и, вероятно, имеют отношение к тому, как эволюция работает в биологии».
Статья была написана в соавторстве с Кёнмин Сон и Кванву Ким из Департамента машиностроения Сеульского национального университета.