Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Pulsar pomaga zbadać zasadę swobodnego spadku na ciemną materię
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
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
Inżynierowie z California Institute of Technology (Caltech) odkryli, że Leonardo da Vinci rozumiał i badał grawitację. Zajmował się więc tym przedmiotem na setki lat przed Newtonem. W artykule opublikowanym na łamach pisma Leonardo naukowcy przeanalizowali jeden z dzienników da Vinciego i wykazali, że słynny uczony zaprojektował eksperymenty dowodzące, że grawitacja jest formą przyspieszenia o określił stałą grawitacji z 97-procentową dokładnością.
Żyjący na przełomie średniowiecza i renesansu uczony wyprzedzał swoją epokę w wielu dziedzinach. Także, jak się okazuje, z dziedzinie badań nad grawitacją. Sto lat później grawitacją zajmował się Galileusz, a prawo powszechnego ciążenia zostało sformułowane przez Newtona w 170 lat po śmierci Leonardo. Tym, co przede wszystkim ograniczało badania słynnego Włocha był brak odpowiednich narzędzi. Nie był np. w stanie dokładnie mierzyć czasu, w jakim ciało spada na ziemię.
W 2017 roku profesor Mory Gharib omawiał ze studentami techniki wizualizacji przepływu cieczy wykorzystywane przez da Vinciego. W zdigitalizowanym i właśnie udostępnionym przez British Library Codex Arundel zauważył serię rysunków przedstawiających trójkąty tworzone przez podobne do ziaren piasku obiekty wysypujące się z dzbana. Moją uwagę zwrócił napis „Equatione di Moti” przy jednym z trójkątów równoramiennych. Zacząłem się zastanawiać, co Leonardo miał na myśli, wspomina uczony. Gharib poprosił o pomoc Chrisa Roha z Caltechu i Flavio Nocę z Uniwersytetu Nauk Stosowanych i Sztuki Zachodniej Szwajcarii (HES-SO). Wspólnie zasiedli do analizy diagramów.
Okazało się, że da Vinci opisał eksperyment, w którym dzban na wodę jest przesuwany w linii prostej równolegle do gruntu i wylatuje z niego albo woda albo piasek. Z notatek wynika, że włoski uczony zdawał sobie sprawę, iż wylatujący materiał nie spada ze stałą prędkością, ale przyspiesza oraz z tego, że gdy wyleci z dzbana, a zatem ten nie ma nań już wpływu, przestaje przyspieszać w kierunku horyzontalnym, a przyspiesza wyłącznie wertykalnie. Jeśli dzban przesuwa się ze stałą prędkością, linia tworzona przez wypadający materiał jest pozioma i nie tworzy się trójkąt. Gdy zaś przyspiesza ze stałą prędkością, linia opadającego materiału jest prosta, ale odchylona, tworząc trójkąt. W kluczowym diagramie da Vinci zauważa, że jeśli przyspieszenie dzbana jest równe przyspieszeniu opadającego materiału, tworzy się trójkąt równoramienny. To właśnie tam da Vinci napisał „Equatione di Moti” czyli „wyrównywanie ruchów”.
Da Vinci próbował opisać to przyspieszenie za pomocą matematyki. Naukowcy użyli modelowania komputerowego do sprawdzenia obliczeń wielkie uczonego i znaleźli błąd. Leonardo zmierzył się z tą kwestią i wyliczył, że droga spadającego obiektu była proporcjonalna do 2 do potęgi t (gdzie t reprezentuje czas), a powinna być proporcjonalna do t2, mówi Roh. To błąd, ale później zauważyliśmy, że swój błędny wzór wykorzystywał w prawidłowy sposób. "Nie wiemy, czy da Vinci prowadził kolejne eksperymenty, by dokładniej zbadać tę kwestię. Ale sam fakt, że zajmował się tym na początku XVI wieku pokazuje, jak bardzo w przyszłość wybiegał jego sposób myślenia, stwierdza Gharib.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
W CERN zakończono najbardziej precyzyjne w historii eksperymenty, których celem było sprawdzenie czy materia i antymateria reagują tak samo na oddziaływanie grawitacji. Trwające 1,5 roku badania z wykorzystaniem protonów i antyprotonów przeprowadzili specjaliści z eksperymentu BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment).
Naukowcy zmierzyli stosunek ładunku do masy protonu i antyprotonu z dokładnością 16 części na bilion. To najbardziej precyzyjny ze wszystkich testów symetrii materii i antymaterii przeprowadzony na cząstkach złożonych z trzech kwarków, zwanych barionami, i ich antycząstkach, mówi Stefan Ulmer, rzecznik prasowy BASE.
Zgodnie z Modelem Standardowym cząstki i antycząstki mogą się od siebie różnić, jednak większość właściwości, szczególnie ich masa, powinno być identycznych. Znalezienie różnicy masy pomiędzy protonami a antyprotonami lub też różnicy w ich stosunku ładunku do masy, oznaczałoby złamanie podstawowej symetrii Modelu Standardowego, symetrii CPT. Byłby to również dowód na znalezienie fizyki wykraczającej poza opisaną Modelem Standardowym.
Istnienie takiej różnicy mogłoby doprowadzić do wyjaśnienia, dlaczego wszechświat składa się głównie z materii, mimo że podczas Wielkiego Wybuchu powinny powstać takie same ilości materii i antymaterii. Różnice pomiędzy cząstkami materii i antymaterii zgodne z Modelem Standardowym, są o rzędy wielkości zbyt małe, by wyjaśnić obserwowaną nierównowagę.
Naukowcy z BASE wykorzystali podczas swoich pomiarów antyprotony i jony wodoru, które służyły jako ujemnie naładowane przybliżenia protonów. Umieszczono je w tzw. pułapce Penninga. Badania prowadzono pomiędzy grudniem 2017 roku a majem 2019. Później przystąpiono do opracowywania wyników, a po zakończeniu prac w najnowszym numerze Nature poinformowano o rezultatach.
Po uwzględnieniu różnic pomiędzy jonami wodoru a protonami okazało się, że stosunek ładunku do masy protonu jest z dokładnością do 16 części na miliard identyczny ze stosunkiem ładunku do masy antyprotonu. To czterokrotnie bardziej dokładne obliczenia niż wszystko, co udało się wcześniej uzyskać, mówi Stefan Ulmer. Aby dokonać tak precyzyjnych pomiarów musieliśmy najpierw znacznie udoskonalić nasze narzędzia. Badania przeprowadziliśmy w czasie, gdy urządzenia wytwarzające antymaterię były nieczynne. Wykorzystaliśmy więc magazyn antyprotonów, w którym mogą być one przechowywane przez lata, dodaje.
Prowadzenie eksperymentów w pułapce Penninga w czasie, gdy urządzenia wytwarzające antymaterię nie działają, pozwala na uzyskanie idealnych warunków, gdyż nie występują zakłócające badania pola magnetyczne generowane przez „fabrykę antymaterii”.
Naukowcy z BASE nie ograniczyli się tylko do niespotykanie precyzyjnego porównania protonów i antyprotonów. Przeprowadzili też testy słabej zasady równoważności. Wynika ona z teorii względności i głosi, że zachowanie wszystkich obiektów w polu grawitacyjnym jest niezależne od ich właściwości, w tym masy. Oznacza to, że jeśli pominiemy inne siły – jak np. siłę tarcia – reakcja wszystkich obiektów na oddziaływanie grawitacji jest taka sama. Przykładem może być tutaj piórko i młotek, które w próżni powinny opadać z tym samym przyspieszeniem.
Orbita Ziemi wokół Słońca ma kształt elipsy, co oznacza, że obiekty uwięzione w pułapce Penninga będą odczuwały niewielkie zmiany oddziaływania grawitacyjnego. Okazało się, że zarówno proton i antyproton identycznie reagują na te zmiany. Uczeni z BASE potwierdzili, że słaba zasada równoważności odnosi się zarówno do materii jak i antymaterii z dokładnością około 3 części na 100.
Ulmer podkreśla, że uzyskana w tym eksperymencie precyzja jest podobna do założeń eksperymentu, w ramach których CERN chce badać antywodór podczas spadku swobodnego w polu grawitacyjnym Ziemi. BASE nie prowadziło eksperymentu ze swobodnym spadkiem antymaterii w polu grawitacyjnym Ziemi, ale nasze pomiary wpływu grawitacji na antymaterię barionową są co do założeń bardzo podobne do planowanego eksperymentu. To wskazuje, że w dopuszczonym zakresie niepewności nie znaleźliśmy żadnych anomalii w interakcjach pomiędzy antymaterią a grawitacją.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Dzięki nowemu sposobowi kontroli rozszerzania się materii w swobodnie opadającym kondensacie Bosego-Einsteina udało się zanotować najniższą z zarejestrowanych temperatur. Naukowcy z Niemiec i Francji obrazowali spadek kondensatu przez ponad 2 sekundy. Zanotowali przy tym temperaturę 38 pikokelwinów (10-12 K). Tak niskiej temperatury nigdy wcześniej nie udało się uzyskać. To znacznie chłodniej niż w przestrzeni kosmicznej, której średnia temperatura wynosi 2,7 K.
Opracowana przez naukowców metoda umożliwi też lepsze pomiary stałej grawitacji, a być może stanie się alternatywną metodą wykrywania fal grawitacyjnych.
Kondensat Bosego-Einsteina to występujący w bardzo niskich temperaturach taki stan skupienia materii, w którym tworzące kondensat atomy zachowują się bardziej jak fale, a nie jak cząstki. Fale te nakładają się na siebie, przez co kondensat zachowuje się jak jedna cząstka. Istnienie takiego stanu materii przewidzieli w 1924 roku Satyendra Nath Bose i Albert Einstein. Po raz pierwszy udało się go uzyskać w 1995 roku. Od tamtej pory laboratoria, które są w stanie go wytworzyć, wykorzystują kondensat do badania kwantowej natury materii. Badania takie prowadzi się, na przykład, za pomocą interferometru atomowego, wykorzystującego falową naturę atomów. Badania prowadzi się na swobodnie opadającym kondensacie Bosego-Einsteina, uwolnionym z pułapki magnetycznej. Jednak zaraz po uwolnieniu kondensatu z pułapki do głosu dochodzą siły oddziałujące pomiędzy cząstkami, które szybko zamieniają się w energię kinetyczna cząstek. Kondensat zaczyna się rozszerzać i jego obserwacja staje się niemożliwa.
Dlatego też kluczową kwestią jest ograniczenie rozszerzania się kondensatu. Obecnie stosowane metody pozwalają na efektywną kontrolę kondensatu wzdłuż jego średnicy, ale nie w osi jego swobodnego spadku.
W ramach swoich najnowszych badań francusko-niemiecki zespół badawczy zmienił pole magnetyczne w pułapce na oscylujące, zmieniające kształt z kuli w cienką elipsę. Kondensat uwalniany jest w takim momencie, by jego rozszerzanie się wzdłuż osi spadku było jak najmniejsze.
Podczas eksperymentów zespół Ernsta Rasela z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze wykorzystał 110-metrową wieżę w Bremie. To wyspecjalizowana budowla służąca badaniom nad swobodnym spadkiem i mikrograwitacją. Uczeni rozpoczęli eksperyment od utworzenia kondensatu Bosego-Einsteina złożonego z około 100 000 atomów rubidu. Kondensat był następnie poddawany swobodnemu spadkowi, który trwał 4,74 sekundy. W czasie spadku był obrazowany za pomocą lasera i kamery. Gdy kondensat opadał bez wykorzystania żadnych technik jego kontrolowania, ulegał degradacji już po 160 milisekundach. Jednak, gdy naukowcy wykorzystali swoją technikę kontroli, byli w stanie obrazować kondensat przez ponad 2 sekundy, a osiągnięta w nim temperatura wyniosła rekordowo niskie 38 pK.
Naukowcy nie powiedzieli jednak ostatniego słowa. Twierdzą bowiem, że dzięki bardziej złożonej architekturze soczewek magnetycznych można będzie lepiej kontrolować kondensat. Pomóc też może zmniejszenie liczby atomów w kondensacie. Ich zdaniem można by dzięki temu osiągnąć temperaturę nawet 14 pK. Problemem może być jednak za mała liczba atomów, przez co kondensat szybko stanie się zbyt rzadki, by można było go obserwować.
Fizyk Florian Schreck w Amsterdamu pochwalił osiągnięcia kolegów stwierdzając, że to znaczący krok w kierunku badań kondensatu Bosego-Eisteina w warunkach umożliwiających swobodny spadek. Uczony dodał, że bardzo interesujące będzie zastosowanie atomów strontu w miejsce atomów rubidu, gdyż to właśnie stront uważany jest za ten pierwiastek, który pozwoli na wykorzystanie interferometrów atomowych w roli wykrywaczy fal grawitacyjnych.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Pomimo tego, że jest milion razy mniejszy, pojedynczy neutron może wpływać na energię molekuły. Teraz fizykom z MIT i innych uczelni udało się zmierzyć wpływ neutronu na radioaktywną molekułę, co może mieć fundamentalne znaczenie dla badań nad ciemną materią czy naruszeniem symetrii.
Naukowcy opracowali technikę wytwarzania i badania krótko żyjących radioaktywnych molekuł z precyzyjnie kontrolowaną liczbą neutronów. Wybrali liczne izotopy tej samej molekuły, a w każdym z nich był o 1 neutron mniej, niż w poprzednim. Następnie mierzyli energię każdej z molekuł i byli w stanie wykryć minimalne, niemal niewidoczne różnice pomiędzy nimi.
Możliwość zarejestrowania takich różnic oznacza, że naukowcy będą w stanie badać radioaktywne molekuły pod kątem występowania w nich zjawisk wywoływanych przez obecność ciemnej materii lub też przyczyn naruszenia symetrii we wszechświecie.
Jeśli prawa fizyki są symetryczne, a sądzimy, że są, to w wyniku Wielkiego Wybuchu powinno powstać tyle samo materii i antymaterii. Jednak fakt, że obserwujemy niemal wyłącznie materię, a antymateria to jedynie jedna część na miliard, oznacza, że coś narusza podstawową symetrię fizyki w sposób, którego nie potrafimy wyjaśnić, mówi profesor Ronald Fernando Garcia Ruiz z MIT.
Teraz mamy szansę zmierzyć te naruszenia symetrii, używając przy tym ciężkich radioaktywnych molekuł, które są niezwykle czułe na zjawiska, jakich nie obserwujemy w innych molekułach. Może to nam dostarczyć odpowiedzi na najwięsze tajemnice dotyczące powstania wszechświata, dodaje.
Większość jąder atomowych ma kształt sfery z równo rozłożonymi protonami i neutronami. Jednak niektóre pierwiastki radioaktywne, jak rad, mają jądra o kształcie gruszki. Protony i neutrony są w nich rozłożone nierównomiernie. Fizycy uważają, że takie zaburzenie kształtu może zwiększać naruszenie symetrii, które spowodowało, iż wszechświat składa się z materii. "Jądra pierwiastków radioaktywnych mogą pozwolić nam na obserwowanie tego naruszenia", uważa współautor najnowszych badań, Silviu-Marian Udrescu. "Problem w tym, że są one bardzo niestabilne i krótkotrwałe. Potrzebujemy więc bardzo czułych metod, które pozwolą nam na ich szybkie wytwarzania i badanie.
Naukowcy umieszczali radioaktywne pierwiastki w molekule, co dodatkowo zwiększa zaburzenie symetrii. Każda z radioaktywnych molekuł składa się z co najmniej jednego radioaktywnego atomu związanego z co najmniej jednym innym atomem. Każdy z atomów otoczony jest chmurą elektronów, które tworzą pole bardzo silne elektryczne molekuły. Naukowcy uważają, że pole to może dodatkowo wzmacniać subtelne zjawiska, jak np. zaburzenie symetrii.
Autorzy badań tworzą molekuły, które nie istnieją w naturze. W ubiegłym roku poinformowali u uzyskaniu monofluorku radu (RaF), radioaktywnej molekuły składającej się z atomu radu i atomu fluoru. Teraz zaczęli uzyskiwać izotopy tej molekuły, zawierające różną liczbę neutronów.
Podczas swojej pracy wykorzystali urządzenie ISOLDE (Isotope mass Separator On-Line) z CERN-u. Powstaje w nim cała grupa molekuł, w tym RaF, które są oddzielane od reszty za pomocą laserów, pól elektromagnetycznych i pułapek jonowych. Następnie naukowcy badają masę molekuł, dzięki czemu poznają liczbę neutronów w jądrach radu. Następnie sortują molekuły w zależności od liczby neutronów. W ten sposób uzyskali pięć grup identycznych izotopów RaF. Izotopy w każdej z grup mają inną liczbę neutronów niż w pozostałych grupach. Następnie dokonywali pomiarów poziomów energetycznych cząsteczek.
Wyobraźmy sobie molekułę, która wibruje jak dwie piłki na sprężynie. Posiada ona pewną energię. Jeśli w jednej z tych piłek zmienimy liczbę neutronów, może zmieć się poziom energetyczny. Jednak każdy z neutronów jest 10 milionów razy mniejszy niż molekuła. Więc różnice są tutaj minimalne. Szczerze mówiąc, nie spodziewaliśmy się, że za pomocą współczesnych technik będziemy w stanie je zauważyć. Ale się udało. I bardzo wyraźnie to widać, mówi Udrescu.
Naukowiec porównuje czułość eksperymentu do możliwości zaobserwowania, jak Mount Everest, umieszczony na powierzchni Słońca, zmienia promień naszej gwiazdy. Dodaje, że zaobserwowanie naruszenia symetrii wymaga czułości odpowiadającej obserwacji wpływu ludzkiego włosa na zmianę promienia Słońca.
Uzyskane wyniki pokazują, że radioaktywne molekuły, takie jak RaF, są niezwykle czułe na pewne zjawiska, dzięki czemu możemy badać te zjawiska. Bardzo ciężkie radioaktywne molekuły są wyjątkowe. Są wrażliwe na zjawiska, jakich nie możemy zaobserwować w innych molekułach. Jeśli więc szukamy tego, co narusza symetrię, jest spora szansa, że zauważymy to w takich właśnie molekułach, dodaje Udrescu.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.