Идея, вдохновлённая Нобелевской премией 2014 года, позволила превратить шум в данные, открывая новые горизонты в понимании химических реакций и свойств материалов с беспрецедентной детализацией на атомном уровне. Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature.
Новый метод визуализации на атомном уровне
Исследователи представили новую технику рентгеновской визуализации, которая может изменить наше понимание движения электронов на микроскопическом уровне. Этот передовой метод, разработанный международной командой учёных, использует уникальные свойства рентгеновского лазера Европейского XFEL в Шенфельде близ Гамбурга, Германия — крупнейшего рентгеновского лазера в мире — для получения детальных снимков атомных взаимодействий.
Техника, называемая стохастическим стимулированным рентгеновским рамановским рассеянием (s-SXRS), превращает шум в ценные данные, предлагая снимки электронных структур атомов. Это достижение создаёт основу для прорывов в химическом анализе и материаловедении.
Разработка инновационного подхода
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), Института Макса Планка по ядерной физике, научного инструмента Small Quantum Systems (SQS) Европейского XFEL и других организаций разработали этот инновационный подход к рентгеновской спектроскопии, достигнув беспрецедентной детализации и разрешения.
Линда Янг, выдающийся научный сотрудник Аргоннской лаборатории и профессор Чикагского университета, говорит: «Химики давно мечтали увидеть, как движутся электроны в возбуждённых состояниях, поскольку именно эти движения определяют химические реакции. Наша техника приближает нас к осуществлению этой мечты».
Практические применения
Практические приложения стохастического стимулированного рентгеновского рамановского рассеяния широки. Например, он может дать представление о том, как образуются или разрываются химические связи, предлагая более глубокое понимание фундаментальных процессов, имеющих отношение к химическому анализу. Эти знания необходимы для разработки новых материалов с определёнными электронными свойствами, влияющих на такие отрасли, как электроника и нанотехнологии.
Открытие асимметрии материи и антиматерии
В эксперименте LHCb, расположенном на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, впервые зарегистрированы наблюдения асимметрии материи и антиматерии в распадающейся составной субатомной частице, принадлежащей к классу барионов. Этот эффект, известный как нарушение зарядовой чётности (CP), был теоретически предсказан, но до сих пор ускользал от наблюдения в барионах.
Экспериментальная проверка этого нарушения асимметрии в барионах, опубликованная в Nature, важна, поскольку барионы составляют большую часть материи в наблюдаемой Вселенной.
Космологические модели предполагают, что материя и антиматерия были созданы в равных количествах в момент Большого взрыва, но в современной Вселенной материя, по-видимому, преобладает над антиматерией. Этот дисбаланс, как полагают, обусловлен различиями в поведении материи и антиматерии: нарушением симметрии, известным как CP-нарушение.
Этот эффект был предсказан Стандартной моделью физики и наблюдался экспериментально в субатомных частицах, называемых мезонами, более 60 лет назад, но никогда ранее не наблюдался в барионах. В отличие от мезонов, которые образуются из двух кварков, барионы образуются из трёх кварков — частиц, составляющих большую часть материи, таких как нейтроны и протоны.
Сюйэтинг Янг и коллеги из эксперимента LHCb представляют первое наблюдение CP-нарушения в распадах барионов, используя данные, собранные в результате столкновений протонов на LHC. Асимметрия CP выявляет различия в поведении барионной материи и антиматерии.
Хотя такое нарушение было предсказано и не объясняет дисбаланс материи и антиматерии в эпоху Большого взрыва, выяснение деталей этого нарушения экспериментально даст важные подсказки, открывая возможности для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований природы CP-нарушения. Эти результаты потенциально прокладывают путь к поиску физики за пределами Стандартной модели, заключают авторы.