Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Fizycy chcą symulować Wielki Wybuch
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Po raz pierwszy udało się bezpośrednio zaobserwować wpływ grawitacji na antymaterię. Fizycy z CERN eksperymentalnie wykazali, że grawitacja działa na antymaterię tak, jak i na materię – antyatomy opadają na źródło grawitacji. Nie jest to niczym niespodziewanym, różnica w oddziaływaniu grawitacji na materię i antymaterię miałaby bardzo poważne implikacje dla fizyki. Jednak bezpośrednia obserwacja tego zjawiska jest czymś, czego fizycy oczekiwali od dziesięcioleci. Oddziaływanie grawitacyjne jest bowiem niezwykle słabe, zatem łatwo może zostać zakłócone.
Naukowcy z CERN pracujący przy eksperymencie ALPHA wykorzystali atomy antywodoru, które są stabilne i elektrycznie obojętne, do badania wpływu grawitacji na antymaterię. Uczeni utworzyli antywodór łącząc antyprotony – uzyskane w urządzeniach AD i ELENA pracujących w Antimatter Factory – z pozytonami (antyelektronami) z radioaktywnego sodu-22. Atomy antywodoru umieszczono następnie w pułapce magnetycznej, która chroniła je przed wejściem w kontakt z materią i anihilacją. Całość umieszczono w niedawno skonstruowanym, specjalnym urządzeniu o nazwie ALPHA-g, które pozwala na śledzenie losu atomów po wyłączeniu pułapki.
Symulacje komputerowe wykazywały, że – w przypadku materii – około 20% atomów powinno opuścić pułapkę przez górną jej część, a około 80% – przez dolną. Naukowcy wielokrotnie przeprowadzili eksperymenty z użyciem antymaterii, uwzględniając przy tym różne ustawienia pułapki i różne możliwe oddziaływania poza oddziaływaniami grawitacyjnymi. Po uśrednieniu wyników eksperymentów okazało się, że antymateria zachowuje się tak, jak materia. Około 20% atomów antywodoru uleciało z pułapki górą, a około 80% – dołem.
Potrzebowaliśmy 30 lat by nauczyć się, jak stworzyć antyatomy, jak utrzymać je w pułapce, jak je kontrolować i jak je uwalniać z pułapki, by oddziaływała na nie grawitacja. Następnym etapem naszych badań będą jak najbardziej precyzyjne pomiary przyspieszenia opadających antyatomów. Chcemy sprawdzić, czy rzeczywiście atomy i antyatomy opadają w taki sam sposób, mówi Jeffrey Hangst, rzecznik prasowy eksperymentu ALPHA.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
CERN poinformował, że w przyszłym roku przeprowadzi o 20% mniej eksperymentów, a w roku bieżącym akcelerator zostanie wyłączony 28 listopada, 2 tygodnie wcześniej, niż planowano. Zmiany mają związek z niedoborami energii i rosnącymi jej kosztami. W ten sposób CERN chce pomóc Francji w poradzeniu sobie z problemami z dostępnością energii.
CERN kupuje 70–75% energii z Francji. Gdy wszystkie akceleratory w laboratorium pracują, zużycie energii wynosi aż 185 MW. Sama infrastruktura Wielkiego Zderzacza Hadronów potrzebuje do pracy 100 MW.
W związku ze zbliżającą się zimą we Francji wprowadzono plan zredukowania zużycia energii o 10%. Ma to pomóc w uniknięciu wyłączeń prądu. Stąd też pomysł kierownictwa CERN, by pomóc w realizacji tego planu. Ponadto rozpoczęto też prace nad zmniejszeniem zapotrzebowania laboratorium na energię. Podjęto decyzję m.in. o wyłączaniu na noc oświetlenia ulicznego, rozpoczęcia sezonu grzewczego o tydzień później niż zwykle oraz zoptymalizowania ogrzewania pomieszczeń przez całą zimę.
Działania na rzecz oszczędności energii nie są w CERN niczym niezwykłym. Laboratorium od wielu lat pracuje nad zmniejszeniem swojego zapotrzebowania i w ciągu ostatniej dekady konsumpcję energii udało się ograniczyć o 10%. Było to możliwe między innymi dzięki zoptymalizowaniu systemów chłodzenia w centrum bazodanowym, zoptymalizowaniu pracy akceleratorów, w tym zmniejszenie w nich strat energii.
W CERN budowane jest właśnie nowe centrum bazodanowe, które ma ruszyć pod koniec przyszłego roku. Od początku zostało ono zaprojektowane z myślą o oszczędności energii. Znajdą się tam m.in. systemy odzyskiwania ciepła generowanego przez serwery. Będzie ono wykorzystywane do ogrzewania innych budynków laboratorium. Zresztą już teraz ciepło generowane w jednym z laboratoriów CERN jest używane do ogrzewania budynków w pobliskiej miejscowości Ferney-Voltaire. Trwają też prace nad optymalizacją systemu klimatyzacji i wentylacji oraz nad wykorzystaniem energii fotowoltaicznej.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Rada CERN jednogłośnie przyjęła dzisiaj plan dotyczący strategii rozwoju badań nad fizyką cząstek w Europie. Plan zakłada m.in. wybudowanie 100-kilometrowego akceleratora cząstek. O stworzeniu wstępnego raportu projektowego budowy Future Circular Collider (FCC) informowaliśmy na początku ubiegłego roku.
The European Strategy for Particle Physics został po raz pierwszy przyjęty w 2006 roku, a w roku 2013 doczekał się pierwszej aktualizacji. Prace nad jego obecną wersją rozpoczęły się w 2018 roku, a w styczniu ostateczna propozycja została przedstawiona podczas spotkania w Niemczech. Teraz projekt zyskał formalną akceptację.
CERN będzie potrzebował znaczniej międzynarodowej pomocy, by zrealizować swoje ambitne plany. Stąd też w przyjętym dokumencie czytamy, że Europa i CERN, za pośrednictwem Neutrino Platform, powinny kontynuować wsparcie dla eksperymentów w Japonii i USA. W szczególności zaś, należy kontynuować współpracę ze Stanami Zjednoczonymi i innymi międzynarodowymi partnerami nad Long-Baseline Neutriono Facility (LBNF) oraz Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).
Obecnie szacuje się, że budowa nowego akceleratora, który byłby następcą Wielkiego Zderzacza Hadronów, pochłonie co najmniej 21 miliardów euro. Instalacja, w której dochodziłoby do zderzeń elektronów z pozytonami, miała by zostać uruchomiona przed rokiem 2050.
Zatwierdzenie planów przez Radę CERN nie oznacza jednak, że na pewno zostaną one zrealizowane. Jednak decyzja taka oznacza, że CERN może teraz rozpocząć pracę nad projektem takiego akceleratora, jego wykonalnością, a jednocześnie rozważać inne konkurencyjne projekty dla następcy LHC. Myślę, że to historyczny dzień dla CERN i fizyki cząstek, zarówno w Europie jak i poza nią, powiedziała dyrektor generalna CERN Fabiola Gianotti po przyjęciu proponowanej strategii.
Z opinią taką zgadzają się inni specjaliści. Dotychczas bowiem CERN rozważał wiele różnych propozycji. Teraz wiadomo, że skupi się przede wszystkim na tej jednej.
Przyjęta właśnie strategia zakłada dwuetapowe zwiększanie możliwości badawczych CERN. W pierwszym etapie CERN wybuduje zderzacz elektronów i pozytonów, którego energia zostanie tak dobrana, by zmaksymalizować produkcję bozonów Higgsa i lepiej zrozumieć ich właściwości.
Później instalacja ta zostanie rozebrana, a w jej miejscu powstanie potężny zderzacz protonów. Urządzenie będzie pracowało z energiami rzędu 100 teraelektronowoltów (TeV). Dla porównania, LHC osiąga energie rzędu 16 TeV.
Zadaniem nowego zderzacza będzie poszukiwanie nowych cząstek i sił natury. Większość technologii potrzebna do jego zbudowania jeszcze nie istnieje. Będą one opracowywane w najbliższych dekadach.
Co ważne, mimo ambitnych planów budowy 100-kilometrowego zderzacza, nowo przyjęta strategia zobowiązuje CERN do rozważenia udziału w International Linear Collider, którego projekt jest od lat forsowany przez japońskich fizyków. Japończycy są zadowoleni z takiego stanowiska, gdyż może pozwoli to na przekonanie rządu w Tokio do ich projektu.
W przyjętej właśnie strategii czytamy, że CERN będzie kontynuował rozpoczęte już prace nad High Luminosity LHC (HL-LHC), czyli udoskonaloną wersją obecnego zderzacza. Budowa 100-kilometrowego tunelu i zderzacza elektronów i pozytonów ma rozpocząć się w roku 2038. Jednak zanim ona wystartuje, CERN musi poszukać pieniędzy na realizację swoich zamierzeń. Chris Llewellyn-Smith, były dyrektor generalny CERN, uważa, że do europejskiej organizacji mogłyby dołączyć Stany Zjednoczone, Japonia i Chiny, by powołać nową globalną organizację fizyczną.
Nie wszyscy eksperci entuzjastycznie podchodzą do planów CERN. Sabine Hossenfelder, fizyk teoretyczna z Frankfurckiego Instytutu Zaawansowanych Badań krytykuje wydawanie olbrzymich kwot w sytuacji, gdy nie wiemy, czy zwiększanie energii zderzeń cząstek przyniesie jakiekolwiek korzyści naukowe poza pomiarami właściwości już znanych cząstek. Z opinią tą zgadza się Tara Shears z University of Liverpool. Uczona zauważa, że o ile powodem, dla którego budowano LHC było poszukiwanie bozonu Higgsa i urządzenie spełniło stawiane przed nim zadanie, to obecnie brak dobrze umotywowanych powodów naukowych, by budować jeszcze potężniejszy akcelerator. Nie mamy obecnie żadnych solidnych podstaw. A to oznacza, że cały projekt obarczony jest jeszcze większym ryzykiem, mówi. Dodaje jednak, że jednocześnie wiemy, że jedynym sposobem na znalezienie odpowiedzi są eksperymenty, a jedynymi miejscami, gdzie możemy je znaleźć są te miejsca, w które jeszcze nie zaglądaliśmy.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Czy neutrinowe oczy ludzkości, obserwatoria takie jak IceCube na Antarktydzie, naprawdę widzą neutrina napływające z głębi kosmosu? Odpowiedź zaczynają przynosić między innymi eksperymenty przy akceleratorze LHC, gdzie bada się wewnętrzną strukturę protonów. Zgodnie z najnowszym modelem, opracowanym przez fizyków z IFJ PAN, struktura ta wydaje się być bogatsza o cząstki powabne w stopniu, który ziemskim obserwatorom neutrin może utrudnić interpretację tego, co widzą.
Wbrew popularnym wyobrażeniom, proton może się składać nie z trzech, ale nawet z pięciu kwarków. Dodatkową parę tworzą wtedy kwark i antykwark powstałe w interakcjach gluonów we wnętrzu protonu. Od dawna przypuszczano, że te „nadmiarowe” pary mogą niekiedy być zbudowane nawet z tak masywnych kwarków i antykwarków jak powabne. Teraz się okazuje, że uwzględnienie wewnętrznego powabu protonów pozwala dokładniej opisać przebieg zjawisk zarejestrowanych niedawno w jednym z niskoenergetycznych eksperymentów w detektorze LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów. Stosowny model teoretyczny zaprezentowali fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie na łamach czasopisma „Physical Review D”.
Szkolne podręczniki malują obraz protonu jako cząstki będącej prostym zlepkiem trzech kwarków: dwóch górnych oraz jednego dolnego, sklejonych oddziaływaniami silnymi przenoszonymi przez gluony. W fizyce tak uproszczony model nie zrobił długiej kariery. Już w końcu lat 80. ubiegłego wieku okazało się, że aby wytłumaczyć obserwowane zjawiska trzeba uwzględnić lekkie kwarki pochodzące z chmury mezonowej w nukleonie (są to tzw. wyższe stany Flocka). Co zaskakujące, efekt wcale nie jest marginalny: może stanowić nawet poprawkę na poziomie 30% w stosunku do prostego modelu trzykwarkowego. Niestety, dotychczas nie potrafiono określić, jak duży jest analogiczny wkład kwarków powabnych.
Nasze wcześniejsze modele powstawania powabu wielokrotnie wykazywały się zgodnością z eksperymentami. Przy dużych energiach zderzeń protonów, gdy w LHC wzajemnym oddziaływaniom poddawano ich dwie przeciwbieżne wiązki, potrafiliśmy całkiem dobrze opisać produkcję par z udziałem kwarków i antykwarków powabnych. Rzecz jednak w tym, że choć tworzyły się one w trakcie zderzeń protonów, nie pochodziły z ich wnętrz. Powstawały wskutek fuzji gluonów nieco wcześniej wyemitowanych przez protony, mówi prof. dr hab. Antoni Szczurek (IFJ PAN).
Nadzieję na postęp w tropieniu powabu wewnątrz samych protonów przyniosły niedawne pomiary zrealizowane w detektorze LHCb z użyciem pojedynczej wiązki protonów, wycelowanej w nieruchomą, gazową tarczę z helu bądź argonu.
Gdy w LHC dochodzi do zderzeń przy największych energiach, spora część cząstek będących produktami kolizji protonów porusza się w kierunku 'do przodu', wzdłuż wiązek protonów. W rezultacie trafiają w obszar, gdzie z przyczyn technicznych nie ma detektorów. Tymczasem zderzenia protonów z jądrami helu, które właśnie poddaliśmy analizie, zachodziły przy energiach nawet kilkadziesiąt razy mniejszych od maksymalnych osiąganych przez LHC. Produkty zderzeń rozbiegały się pod większymi kątami, bardziej na boki, w konsekwencji były rejestrowane w detektorach i mogliśmy się im przyjrzeć, wyjaśnia dr Rafał Maciuła (IFJ PAN).
Do opisu danych z eksperymentu w detektorze LHCb krakowscy fizycy użyli modelu rozbudowanego o możliwość wybicia z wnętrza protonu kwarku lub antykwarku powabnego. Wyliczenie prawdopodobieństwa takiego procesu z zasad pierwszych nie było możliwe. Badacze postanowili więc sprawdzić, przy jakich wartościach prawdopodobieństwa zgodność przewidywań modelu z zarejestrowanymi danymi będzie największa. Otrzymany wynik sugerował, że wkład par powabnych we wnętrzu protonu nie jest większy niż około 1%.
Po wybiciu z wnętrza protonu powabna para kwark-antykwark szybko się zmienia w krótkożyjące mezony i antymezony D0, te zaś produkują kolejne cząstki, w tym neutrina. Fakt ten zainspirował fizyków z IFJ PAN do skonfrontowania nowego modelu z danymi zarejestrowanymi przez obserwatorium neutrinowe IceCube na Antarktydzie.
Obecnie dzięki stosowanym technikom naukowcy z IceCube mają pewność, że jeśli rejestrują neutrino o ogromnej energii (rzędu setek teraelektronowoltów), to oznacza, że cząstka pochodziła z głębi kosmosu. Przyjmuje się ponadto, że neutrina o nieco niższych, ale wciąż rzadko spotykanych dużych energiach, również mają naturę kosmogeniczną. Jeśli jednak z wnętrza protonu można wybić powabną parę kwark-antykwark, rozpadającą się w kaskadzie zawierającej wysokoenergetyczne neutrina, ta interpretacja może zostać podważona. Neutrina w pewnym zakresie energetycznym, rejestrowane obecnie, mogą bowiem pochodzić nie z kosmosu, ale właśnie z kaskad inicjowanych zderzeniami cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego z jądrami gazów atmosferycznych. Artykuł analizujący taką możliwość trafił do druku w czasopiśmie „European Physical Journal C”.
Przy analizie danych z obserwatorium IceCube przyjęliśmy następującą taktykę. Przyjmijmy, że praktycznie wszystkie obecnie rejestrowane neutrina w badanym przez nas zakresie energetycznym pochodzą z atmosfery. Jaki musiałby być wkład powabnych par kwark-antykwark we wnętrzu protonu, abyśmy za pomocą naszego modelu uzyskali zgodność z dotychczasowymi pomiarami? Proszę sobie wyobrazić, że otrzymaliśmy wartość rzędu jednego procenta, praktycznie identyczną z wartością z modelu opisującego zderzenia proton-hel w detektorze LHCb!, mówi dr Maciuła.
Zbieżność oszacowań dla obu omówionych przypadków nakazuje zachować dużą ostrożność w określaniu źródeł neutrin rejestrowanych przez współczesne obserwatoria. Krakowscy badacze podkreślają jednak, że ich wyniki nakładają tylko górne ograniczenie na wkład kwarków i antykwarków powabnych w strukturę protonu. Jeśli okaże się on mniejszy, przynajmniej część obecnie wykrywanych neutrin o wielkich energiach zachowa swoją kosmiczną naturę. Jeśli jednak górna granica będzie oszacowaniem poprawnym, nasza interpretacja źródeł ich pochodzenia będzie musiała ulec istotnej zmianie, a IceCube okaże się nie tylko obserwatorium astronomicznym, ale również... atmosferycznym.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Po raz pierwszy udało się zrekonstruować w laboratorium falową naturę elektronu, jego funkcję falową Blocha. Dokonali tego naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB), a ich praca może znaleźć zastosowanie w projektowaniu kolejnych generacji urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych.
Elektrony zachowują się jednocześnie jak cząstki oraz jak fala. Ich falowa natura opisywane jest przez naukowców za pomocą obiektów matematycznych zwanych funkcjami falowymi. Funkcje te zawierają zarówno składowe rzeczywiste, jak i urojone. Z tego też powodu funkcji falowej Blocha elektronu nie można bezpośrednio zmierzyć. Można jednak obserwować powiązane z nią właściwości. Fizycy od dawna próbują zrozumieć, w jaki sposób falowa natura elektronów poruszających się przez sieć krystaliczną atomów, nadaje tej sieci właściwości elektroniczne i optyczne. Zrozumienie tego zjawiska pozwoli nam projektowanie urządzeń lepiej wykorzystujących falową naturę elektronu.
Naukowcy z Santa Barbara wykorzystali silny laser na swobodnych elektronach, który posłuży im do uzyskanie oscylującego pola elektrycznego w półprzewodniku, arsenu galu. Jednocześnie za pomocą lasera podczerwonego o niskiej częstotliwości wzbudzali jego elektrony. Wzbudzone elektrony pozostawiały po sobie „dziury” o ładunku dodatnim. Jak wyjaśnia Mark Sherwin, w arsenku galu dziury te występują w dwóch odmianach – lekkiej i ciężkiej – i zachowują się jak cząstki o różnych masach.
Para elektron-dziura tworzy kwazicząstkę zwaną ekscytonem. Fizycy z UCSB odkryli, że jeśli utworzy się elektrony i dziury w odpowiednim momencie oscylacji pola elektrycznego, to oba elementy składowe ekscytonów najpierw oddalają się od siebie, następnie zwalniają, zatrzymują się, zaczynają przyspieszać w swoim kierunku, dochodzi do ich zderzenia i rekombinacji. W czasie rekombinacji emitują impuls światła – zwany wstęgą boczną – o charakterystycznej energii. Emisja ta zawiera informacje o funkcji falowej elektronów, w tym o ich fazach.
Jako, że światło i ciężkie dziury przyspieszają w różnym tempie w polu elektrycznym ich funkcje falowe Blocha mają różne fazy przed rekombinacją z elektronami. Dzięki tej różnicy fazy dochodzi do interferencji ich funkcji falowych i emisji, którą można mierzyć. Interferencja ta determinuje też polaryzację wstęgi bocznej. Może ona być kołowa lub eliptyczna.
Autorzy eksperymentu zapewniają, że sam prosty stosunek pomiędzy interferencją a polaryzacją, który można zmierzyć, jest wystarczającym warunkiem łączącym teorię mechaniki kwantowej ze zjawiskami zachodzącymi w rzeczywistości. Ten jeden parametr w pełni opisuje funkcję falową Blocha dziury uzyskanej w arsenku galu. Uzyskujemy tę wartość mierząc polaryzację wstęgi bocznej, a następnie rekonstruując funkcję falową, która może się różnić w zależności od kąta propagacji dziury w krysztale, dodaje Seamus O'Hara.
Do czego takie badania mogą się przydać? Dotychczas naukowcy musieli polegać na teoriach zawierających wiele słabo poznanych elementów. Skoro teraz możemy dokładnie zrekonstruować funkcję falową Blocha dla różnych materiałów, możemy to wykorzystać przy projektowaniu i budowie laserów, czujników i niektórych elementów komputerów kwantowych, wyjaśniają naukowcy.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.