Наука про Всесвіт. Фізика у 2022

У 2022 році у фізиці відбулося багато важливого. На лазерній установці NIF вперше отримали більше енергії від термоядерного синтезу, ніж її знадобилося від лазерів на запуск реакції. А на Великому адронному колайдері відкрили дивний пентакварк і розібралися з аномалією у розпадах В-мезонів. У протоні відшукали внутрішню чарівність, а у натрію — його найважчий ізотоп. Не обійшлося і без порушень: маса W-бозона не вписалась у Стандартну модель, а ядра магнію порушили правила магічності. Розповідаємо 10 історій, як цього року фізики наближали нас до розуміння Всесвіту

Запал року

Отримана термоядерним синтезом енергія на лазерній установці NIF вперше перевищила енергію лазерного випромінювання

Найголоснішою новиною останнього місяця року став експеримент вчених центру National Ignition Facility, які працюють із термоядерним синтезом. На своїй лазерній установці NIF вони отримали більше енергії, ніж на запал реакції знадобилося енергії лазерного випромінювання.

Термоядерний синтез вважається безпечнішим та екологічнішим підходом з видобутку енергії, адже на відміну від традиційних ядерних реакторів, що добувають енергію з реакцій розпаду, термоядерний синтез отримує енергію у ході злиття ядер. Необхідне для отримання енергії злиття ядер потребує надвисоких температур, щоб ядра атомів подолали сили електромагнітного відштовхування, а тому фізикам потрібна високотемпературна плазма, яку потрібно не лише розігріти, а і утримувати достатній час.

На NIF для цього вчені використовують одночасно 192 потужні лазери. Пройдену ними межу назвали «межею наукової беззбитковості», адже поки затрачену на роботу установки енергію компенсувати не вдалося, та і виробляли її виключно з дослідницькими, а не промисловими цілями.

Відкриття року

Новий сезон роботи Великого адронного колайдера

Цього року завершилась трирічна відпустка Великого адронного колайдера, який зупинили для модернізації під гаслом «ще вищі енергії та ще менші масштаби». У липні на найбільшому в світі прискорювачі частинок розпочалися зіткнення протонів з енергією 13,6 тераелектронвольта, що перевищило рекорд попереднього сезону роботи ВАК з енергією зіткнень в 13 тераелектронвольт
, та майже вчетверо більше за найперший сезон роботи колайдера у 2010 році.

Так довго на цей запуск ВАК фізиків змусила чекати пандемія (ще пам'ятаєте про таке?). Втім, на цьому перешкоди ВАК не закінчилися. У вересні через стрибок цін на електроенергію внаслідок повномасштабного російського вторгнення в Україну, Європейська організація з ядерних досліджень (CERN) зупинила роботу колайдера заради економії. ВАК відправили на зимові канікули на два тижні раніше запланованого.

І хоча вже в березні прискорювач поновить роботу, зупинка вплине на заплановані на цей сезон експерименти на ВАК.

---

Оновлено 06.01 о 14:45: Ми виправили помилку щодо енергії зіткнень протонів у другому сезоні роботи ВАК

---

Відкрито дивний пентакварк

І хоча Великий адронний колайдер на зимових канікулах, фізики продовжують обробляти дані минулих запусків та публікують нові відкриття про те, з чого складається Всесвіт. Вчені, що працюють на ВАК з детектором LHCb, повідомили про відкриття одразу трьох нових частинок: дивного пентакварка, двічі зарядженого тетракварка і його нейтральної частинки-партнера.

Дивний пентакварк — третя відома частинка, що складається з п'яти кварків, а також перша відома, що містить у собі дивний кварк. Знайдений пентакварк складається пари чарівних кварка-антикварка, а також верхнього, нижнього і дивного кварків.

Другим видом відкритих частинок стала пара тетракварків: двічі заряджений і відкрито чарівний тетракварк із нейтральною частинкою-партнером. Перший складається з чарівного кварка, дивного антикварка та верхнього і нижнього антикварків, а його партнер — з чарівного кварка, дивного антикварка та верхнього антикварка і нижнього кварка.

У протоні знайшли внутрішню чарівність

Чарівний кварк відшукали і у протоні — колаборація фізиків NNPDF за допомогою машинного навчання проаналізувала величезний масив даних з експериментів та показала, що до одного відсотка імпульсу частинки припадає на чарівний кварк.

Чарівність у протоні з'являється якщо розігнати частинку до довколосвітніх швидкостей, де до двох верхніх кварків та одного нижнього, з яких складається протон, на додачу утворяться так звані «морські кварки». Вони летять разом з вихідними кварками та несуть у собі долю енергії та імпульсу протона.

Весь імпульс протона розподілений у деяких пропорціях між усіма цими частинками, однак якщо теорія передбачала, що чарівний кварк слід враховувати у хвильовій функції протона, то для того, аби його знайти фізикам знадобилося 40 років. У своїй роботі вченим вдалося зі значущістю результату у три стандартних відхилення виокремити внесок чарівного кварка у глибоко непружне розсіяння протона.

Фізики відкрили найважчий ізотоп натрію

Нову частинку відкрили і фізики з німецького інституту RIKEN. Їм вдалося отримати новий — і найважчий з відомих для натрію — ізотоп натрій-39. За два дні експериментів вчені зареєстрували натрій-39 дев'ять разів, що підтверджує відкриття. Новий ізотоп наближає вчених до межі нейтронної стабільності атомних ядер, яка необхідна для розуміння ядерної структури та сильної ядерної взаємодії.

Магній порушив правила магічності своїх ядер

А от новий ізотоп магнію, який відкрили вчені у Національній циклотронній лабораторії Мічиганського університету, змусив засумніватися в умовах магічності своїх ядер.

Магічними фізики називають такі ядра, де нейтрони чи протони повністю заповнюють оболонки ядра. За цією магією, на думку вчених, приховується стабільність ядер, а чим більший дисбаланс у кількості протонів та нейтронів, тим нестабільніше ядро. Нововідкритий магній-18 містить у своєму ядрі немагічні 12 протонів і 6 нейтронів та живе секстильйонні долі секунди. Однак при цьому необхідна йому для збудження енергія є більшою за таку для його магічного «родича» — магнію-20.

Свої сумніви у магічності ядра з восьми протонів у магнію-20 фізики планують підтвердити або спростувати майбутніми експериментами з ізотопом кремнію. А знайдене порушення допоможе краще зрозуміти, на чому заснована стабільність атомних ядер.

Аномалія року

Фізики не знайшли порушення принципу лептонної універсальності

До речі про порушення. Минулого року фізики колаборації LHCb помітили у розпадах В-мезонів на ВАК порушення принципу лептонної універсальності — одного з правил, яке передбачає Стандартна модель. B-мезон надав перевагу розпаду на електрони замість мюонів, хоча співвідношення швидкості розпаду на пару електрон-позитрон та пару мюон-антимюон мало бути б однаковим.

Але цього року аномалія зникла. Ця ж команда вчених додала до аналізу ще більшу кількість зібраних на ВАК подій розпаду B-мезона та не знайшла відхилень від передбачень Стандартної моделі.

Маса W-бозона не вписалась у Стандартну модель на сім стандартних відхилень

А от аномалії в експериментах з вимірювання маси W-бозона — частинки-носія слабкої взаємодії — пощастило менше. Колаборація фізиків CDF оцінила масу частинки в 80 433±9,4 мегаелектронвольта, що відрізняється від передбачення Стандартної моделі та може вказувати на нові, невідомі раніше, частинки або види взаємодій між ними — Нову фізику.

Отримане значення більше передбаченого теорією з достовірністю у сім стандартних відхилень, тоді як зазвичай фізикам достатньо п'яти, щоб вважати результат достовірним. Звісно, дані колаборації ще слід перевірити іншими експериментами. Однак якщо порушення не виявиться похибкою експериментаторів, теоретикам доведеться шукати пояснення за межами Стандартної моделі.

Розвідини року

Магнітні монополі не знайшли на ВАК та на IceCube

Попри велику кількість знайдених у 2022 нових частинок, шукачам магнітних монополів не пощастило — їх не знайшли ані у зіткненнях ядер свинцю, ані на антарктичній станції.

Магнітний монополь — це гіпотетична елементарна частинка, що має нести елементарний магнітний заряд. Так ніби ви могли б розділити магніт навпіл та отримати окремо північний або південний полюс (навіть якщо розкришити магніт на атоми цього зробити не вдасться). Для фізиків це означає, що на відміну від електричних зарядів, які можна отримати окремо позитивний і негативний, елементарного магнітного заряду не існує. Але пошуків вони не припиняють, адже монополі потрібні як для симетрії між електричними і магнітними явищами, так і для деяких теорій з розширення Стандартної моделі.

Цьогоріч свої сили у пошуках магнітного монополя спробували фізики колаборації MoEDAL. У зіткненнях ядер свинцю на Великому адронному колайдері їм вдалося утворити магнітне поле у 10¹⁶ тесла, що на чотири порядки більше, ніж найбільше магнітне поле, яке могли побачити астрономи у нейтронних зірках. Втім, навіть у таких умовах таких очікуваних пар монополь-антимонополь, на які фізики націлили детектори, вчені не дочекалися. Хоча так дослідники отримали нижню межу маси для магнітних монополів, які можна спробувати пошукати на колайдері.

Так само успіхами не увінчався аналіз восьми років роботи обсерваторії IceCube, де магнітні монополі шукали за допомогою нейтринного телескопа, розміщеного під льодовиками Південного полюса. Фізики використали його, щоб знайти сліди космічних релятивістських монополів, існування яких передбачають деякі теорії. За задумом, детектори IceCube могли б зафіксувати характерне світло, яке б випромінили монополі при проходженні крізь антарктичну кригу. Однак в результаті вчені отримали лише нові обмеження на потік космічних релятивістських монополів зі швидкостями від 0,8 до 0,995 швидкості світла.

---