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
Опубликован обзор в журнале Physics Reports, написанный 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).
Исследование взаимодействия частиц
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
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 нижние кварки, такими как D- и B-мезоны) во время этого перехода и последующего расширения адронной фазы.
Роль тяжёлых кварков
Тяжёлые кварки подобны крошечным датчикам. Будучи столь массивными, они образуются сразу после начального ядерного столкновения и движутся медленнее, таким образом взаимодействуя с окружающей материей иначе. Понимание того, как они рассеиваются и распространяются, является ключом к изучению свойств среды, через которую они проходят.
Исследование взаимодействия тяжёлых адронов
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.
Простое объяснение
Чтобы лучше понять эти результаты, можно провести 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.
Роль исследований в понимании ранней Вселенной
Понимание поведения тяжёлых частиц в горячей материи имеет основополагающее значение для картирования свойств ранней Вселенной и фундаментальных сил, управляющих ею. Полученные результаты также открывают 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 в природе и роботы-звенья
Координированное поведение, подобное роению — от колоний муравьёв до косяков рыб, — встречается повсюду в природе. Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) создали систему роботов нового поколения, способную к движению, исследованию, транспортировке и сотрудничеству.
Исследование мягкой роботизированной системы
Исследование, опубликованное в Science Advances, описывает новую мягкую роботизированную систему. Работа велась под руководством Л. Махадевана, профессора прикладной математики, физики и организменной и эволюционной биологии в SEAS, в сотрудничестве с профессором Хо-Янгом Кимом из Сеульского национального университета. Их работа открывает новые направления для будущей низкоэнергетической групповой робототехники.
Роботы-звенья
Новые роботы, называемые роботами-звеньями, состоят из сантиметровых частиц, напечатанных на 3D-принтере, соединённых в V-образные цепи с помощью зубчатых звеньев и способных к скоординированным, похожим на жизнь движениям без каких-либо встроенных систем питания или управления. Ноги каждой частицы наклонены, что позволяет роботу самостоятельно двигаться при размещении на равномерно вибрирующей поверхности.
Принципы работы роботов-звеньев
Цепные роботы 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 индивидуальные роботы, которые обычно полагаются на энергоёмкие компоненты, такие как датчики, беспроводная связь или алгоритмы управления.
«С физической и вычислительной точки зрения взаимодействия между роботами-звеньями действительно просты, даже несмотря на то, что они демонстрируют то, что выглядит как очень сложное поведение», — сказал Махадеван. «С большим количеством этих агентов вы получаете ряд эмерджентных поведений».
Понимание поведения
Команда продемонстрировала, что роботы-звенья могут коллективно двигаться вперёд, останавливаться и менять направление у стены, просто модифицируя свои структуры связей. Они могут протискиваться через щели, блокировать отверстия, а также окружать и переносить объекты. Несколько роботов-звеньев могут координировать свои действия для выполнения задач, слишком сложных для одного робота, таких как преодоление препятствия.
Для понимания поведения постдокторант SEAS Кимберли Боуэл разработала вычислительную модель, которая имитирует, как различные конструкции звеньев и количество частиц влияют на движение. Модель помогла команде понять параметры, которые было трудно исследовать экспериментально, и предсказать новое поведение.
«Было интересно показать, что физические ограничения соединения сами по себе могут управлять программируемым, реагирующим на окружающую среду коллективным поведением», — сказала Боуэл. «Меня особенно вдохновляет этот парадигма дизайна, 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 со своими роботами-звеньями, однажды могут сделать возможными приложения, от механизмов сортировки до транспортировки 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 сильны и, вероятно, имеют отношение к тому, как работает эволюция в биологии».
Статья была написана в соавторстве с Кёнмин Сон и Кванву Ким из Департамента машиностроения Сеульского национального университета.