Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Niemcy dokonali najbardziej precyzyjnych pomiarów masy deuteronu

Recommended Posts

Niemieccy naukowcy poinformowali o dokonaniu najbardziej precyzyjnych pomiarów masy jądra deuteru – deuteronu. Pomiary przeprowadzono porównując masę deuteronu do masy jądra węgla 12. To bardzo ważne niezależne sprawdzenie wcześniejszych pomiarów, które dały niejednoznaczne wyniki. Poznanie dokładnej prostego jądra atomowego, jak wodór, deuter, tryt, jonów H2+ i HD+ jest niezwykle ważne z punktu widzenia badań podstawowych. Pozwala to np. przetestować podstawowe teorie fizyczny, jak elektrodynamikę kwantową. Z kolei masa deuteronu może zostać użyta do precyzyjnego określenia masy neutronu, co z kolei ma fundamentalne znaczenie dla metrologii, fizyki atomowej, molekularnej i badań nad neutrinami.

Precyzyjnych pomiarów tego typu często dokonuje się za pomocą pułapek Penninga, które wykorzystują silne pola magnetyczne i elektryczne do uwięzienia cząstek. Cząstka taka po uwięzieniu oscyluej w określonej częstotliwości, która zależy od jej masy. Cięższe cząstki oscylują wolniej niż lżejsze. Jeśli więc do tej samej pułapki złapiemy dwa jony o różnych masach, to dzięki pomiarom ich oscylacji możemy poznać stosunek ich mas z bardzo wysoką precyzją (dochodzącą jednej do 8,5 x 10-12).

Uczeni z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka, Uniwersytetu Johannesa Gutenberga, GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research oraz Helmholtz Institute w Moguncji wykorzystali specjalny kriogeniczny spektrometr mas wyspecjalizowany w pomiarach mas lekkich jonów. Urządzenie o nazwie LIONTRAP składa się z serii pułapek Penninga. Jest wśród nich wysoce precyzyjna pułapka korzystająca z siedmiu elektrod oraz dwie przylegające pułapki-magazyny. Całość poddana jest działaniu homogenicznego pola magnetycznego o natężeniu 3,8 tesli, znajduje się w niemal idealnej próżni (o ciśnieniu mniejszym niż 10-17 mbar) i w temperaturze około 4 kelwinów.

Deuteron najpierw trafił do pułapki-magazynu, a następnie został umieszczony w wysoce precyzyjnej pułapce. Tam zmierzono jego oscylacje i porównano je z oscylacjami jonu węgla-12. Na tej podstawie stwierdzono, że masa deuteronu wynosi 2.013553212535(17) jednostek atomowych. Liczba w nawiasie oznacza niepewność pomiaru ostatnich cyfr. Masa jonu HD+ określona tą samą metodą została oszacowana na 3.021378241561(61) jednostek atomowych.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Szkoda, że nie wbija się tu jeszcze Jarek, bo to bardzo ważna rzecz, zwłaszcza w kontekście paru dyskusji na KW. ;)

  • Downvote (-1) 1

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po raz pierwszy udało się zademonstrować działanie interferometrii atomowej w przestrzeni kosmicznej. Osiągnięcie niemieckich naukowców oznacza, że interferometry atomowe, niezwykle precyzyjne urządzenia pomiarowe, mogą zostać wykorzystane poza Ziemią, np. na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Posłużyć tam mogą chociażby do pomiarów pola grawitacyjnego Ziemi czy wykrywania fal grawitacyjnych.
      Stworzyliśmy technologiczne podstawy do wykorzystania interferometrii atomowej na pokładzie rakiety meteorologicznej i wykazaliśmy, że prowadzenie tego typu eksperymentów jest możliwe nie tylko na Ziemi ale i w kosmosie, mówi profesor Patrick Windpassinger z Instytutu Fizyki z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji.
      Prace prowadzili naukowcy z różnych uczelni i instytucji badawczych, a zespołem kierowali specjaliści z Uniwersytetu Hanowerskiego. W styczniu 2017 roku wystrzelili oni misję MAIUS-1. Jest to pierwsza w historii misja, w czasie której kondensat Bosego-Einsteina był generowany w przestrzeni kosmicznej. Ten specjalny stan materii uzyskuje się schładzając atomy – w tym przypadku atomy rubidu – do temperatur bliskich zeru absolutnemu. Ta ultrazimna materia stała się dla nas obiecującym punktem wyjścia do interferometrii atomowej, mówi Windpassinger. Niskie temperatury odgrywają tutaj kluczową rolę, gdyż pozwalają na prowadzenie bardzo precyzyjnych i dłuższych pomiarów.
      W czasie eksperymentów wykorzystywano laser do odseparowywania od siebie atomów rubidu i tworzenia ich superpozycji. Możliwe było w ten sposób wytworzenie różnych wzorców interferencji pomiędzy atomami, co z kolei można wykorzystać do badania sił wpływających na atomy, w tym do badania grawitacji.
      Misja MAIUS-1 przyniosła więc potwierdzenie słuszności opracowanej koncepcji oraz jej technicznej wykonalności. To zaś oznacza, że możliwe będzie wykorzystanie interferometru atomowego utworzonego z kondensatu Bosego-Einsteina do prowadzenia różnych badań i pomiarów.
      W najbliższym czasie niemieccy naukowcy chcą sprawdzić, czy taki interferometr zda egzamin. W roku 2022 wystartuje MAIUS-2, a w roku 2023 – MAIUS-3. Uczeni chcą użyć interferometrów stworzonych nie tylko z atomów rubidu, ale też potasu. Porównując przyspieszenie podczas spadku swobodnego pomiędzy tymi dwoma typami atomów można będzie przetestować Einsteinowską zasadę równoważności z niedostępną dotychczas precyzją.
      W przyszłości tego typu eksperymenty można będzie prowadzić na satelitach lub Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, gdzie prawdopodobnie uda się do tego wykorzystać planowane właśnie BECCAL czyli Bose Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory. W tym wypadku precyzja pomiarów nie będzie ograniczona krótkim czasem swobodnego spadku rakiety, wyjaśnia doktor Andre Wenzlawski z grupy badawczej Windpassingera.
      Szczegóły badań opisano na łamach Nature Communications.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rejon Energetyczny w Łomży (PGE Białystok) prowadzi prace związane ze zmniejszeniem wysokości i masy bocianich gniazd ze słupów energetycznych. Jak podkreślono na profilu Łomżyńskiego Parku Krajobrazowego Doliny Narwi na Facebooku, są one wykonywane z zachowaniem wszystkich zasad bezpieczeństwa, bardzo profesjonalnie i sprawnie.
      Prace te wpisują się w czynną ochronę bociana białego, która polega m.in. na zabezpieczaniu miejsc lęgowych. Należy pamiętać, że zbyt duże gniazda mogą stanowić zagrożenie dla konstrukcji, na których są posadowione, czyli dla kominów, dachów czy właśnie słupów energetycznych. Stwarza to niebezpieczeństwo nie tylko dla mienia ludzkiego, ale i dla bocianich piskląt.
      Ornitolodzy z Polskiego Towarzystwa Ochrony Ptaków zbadali [kiedyś], ile ważą gniazda bocianie [w ramach projektu ochrony bocianów białych przebadali i zważyli blisko 90 takich gniazd]. Średnia ich waga wyniosła 349 kg (najlżejsze ważyło 70 kg, a najcięższe – 1250 kg). Ciekawostką jest, że na podstawie prostego parametru, jakim jest wysokość gniazda, można precyzyjnie oszacować wagę gniazda bocianiego [Adam Zbyryt z PTOP podkreśla, że wysokość i waga są ze sobą silnie skorelowane]. Należy przyjąć, że gniazdo o wysokości 0,5 m waży ok. 300 kg, a gniazdo o wysokości 1 metra około 700 kg.
      Bocianie gniazda są bardzo ciężkie, bo nie są skonstruowane z samych gałęzi, lecz także z obornika, który stanowi budulec na klepisko. Średnio każdego roku ptaki przynoszą do gniazda ponad 60 kg (64 kg) materiału budowlanego. To tak, jakby 70-kilogramowy człowiek, w stosunku do swojej masy, miał przetransportować do domu 1,5 t.
      Warto przypomnieć, że niedawno ukazał się artykuł zespołu z Polskiego Towarzystwa Ochrony Ptaków, Uniwersytetu w Cambridge i Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu, w którym opisano zabieg zachęcający bociany do zasiedlenia gniazda. Polega on na obieleniu przed przylotem ptaków boków gniazda wapnem sadowniczym.
      Miłośników tych ptaków ucieszy z pewnością wiadomość, że Łomżyński Park Krajobrazowy Doliny Narwi uruchomił właśnie kolejny sezon przekazu online z bocianiego gniazda. Pierwsze bociany pojawiły się już w północno-wschodniej Polsce, więc nie pozostaje nam nic innego jak czekać na naszą medialną parkę z Rakowa. Pierwszy przylatuje samiec i to jego teraz wyczekujemy.
      Położenie kamerki umożliwia szersze obserwacje ornitologiczne, gdyż rozlewiska w dolinie tętnią obecnie gwarem gęsi, kaczek, łabędzi i innego ptactwa wodno-błotnego.
      A oto film przedstawiający prace związane ze zmniejszeniem wysokości bocianich gniazd:
       


      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grawitacja to jedna z tych sił, których oddziaływanie odczuwamy bez przerwy. Należy jednocześnie do najsłabiej rozumianych zjawisk fizycznych. To najsłabsze z oddziaływań podstawowych jest jedną z przyczyn, dla których nie potrafimy zunifikować ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową. Jej szczegółowe poznanie jest jednym z najważniejszych wyzwań stojących przed współczesną fizyką. Dlatego tez niezwykle ważna jest możliwość testowania grawitacji we wszystkich możliwych skalach.
      Dotychczas tego typu eksperymenty prowadzono w skalach makroskopowych, wykorzystując obiekty o masach liczonych w kilogramach. Naukowcy z Instytut Optyki i Informacji Kwantowej Austriackiej Akademii Nauk oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Wiedeńskiego poinformowali właśnie na łamach Nature o wykryciu oddziaływania grawitacyjnego pomiędzy dwiema złotymi sferami o średnicy 2 milimetrów każda. Masa każdej ze sfer była mniejsza niż 100 miligramów.
      Autorzy eksperymentu wykorzystali dość standardowe urządzenie. Powtórzyli bowiem eksperyment Cavendisha. Użyli wagi skrętnej zbudowanej ze szklanego pręcika długości 4 cm i średnicy 0,5 mm. Na obu jego końcach umieszczono wspomniane złote sfery. Pręcik był zawieszony na środku na cienkim włóknie szklanym umożliwiającym mu swobodny obrót. Przy mocowaniu umieszczono lustro, które odbijało światło lasera. Centrum masy stanowiła złota sfera o średnicy 2 milimetrów i wadze 90 mikrogramów. Do sfery tej zbliżano sfery przymocowane do pręcika, licząc na to, że sfera będzie je przyciągała, co spowoduje obrót lustra. To z kolei zmieni miejsce, w którym po odbiciu trafi światło lasera. Taka architektura pozwoliła na prowadzenie niezwykle precyzyjnych pomiarów.
      Problem stanowią jednak zewnętrzne zakłócenia, które trzeba jakoś zniwelować. A nie jest to łatwe. Dość wspomnieć, że ludzie i tramwaje przemieszczający się w pobliżu laboratorium byli źródłem poważnych zakłóceń sejsmicznych. Żeby je zminimalizować  eksperymenty były prowadzone nocą w czasie świąt Bożego Narodzenia. Urządzenie badawcze umieszczono na gumowej podstawie w komorze próżniowej, którą najpierw wypełniono zjonizowanym azotem, by wyeliminować wszelkie ładunki elektryczne. Na wszelki wypadek pomiędzy sferami umieszczono klatkę Faradaya, by wykluczyć ryzyko, że będą one przyciągały się za pomocą oddziaływań elektrostatycznych.
      Mimo tego, że wszelkie zakłócenia starano się utrzymać na możliwie najniższym poziomie, naukowcy wiedzieli, że oddziaływanie pomiędzy tak lekkimi sferami również będzie niewielkie. Dlatego też, zamiast próbować zmierzyć, na ile się one przyciągają, naukowcy poruszali sferami według regularnego wzorca, jednak częstotliwość ruchów dobrano tak, by była całkowicie różna od naturalnego rezonansu. To spowodowało pojawienie się zmiennego w czasie pola grawitacyjnego i oscylacje wagi, wyjaśnia Jeremias Pfaff.
      Podczas eksperymentu sfery były zbliżane do siebie na odległość od 2,5 do 5,8 milimetra. Naukowcy stwierdzili, że ich system jest w stanie zarejestrować przyspieszenie rzędu 2x10-11 m/s2. Siłę oddziaływania pomiędzy sferami wyliczono zaś na 9x10-14 niutona.
      Zmierzenie tak miniaturowych sił to imponujące osiągnięcie technologiczne. Jednak autorzy eksperymentu twierdzą, że w kolejnych etapach swoich badań będą w stanie mierzyć oddziaływania pomiędzy obiektami o masach tysiące razy mniejszych. To zaś oznacza, że mogą dojść do poziomu, przy którym zaczną dziać się zadziwiające rzeczy.
      Jak już wspomnieliśmy, teoria dotycząca grawitacji jest niekompatybilna z mechaniką kwantową. Jeśli Austriakom rzeczywiście uda się rozpocząć pomiary mas tysiące razy mniejszych niż wspomniane 90 miligramów, mogą zacząć mierzyć oddziaływania obiektów znajdujących się w kwantowej superpozycji. Mierzyliby zatem oddziaływanie pomiędzy obiektami, których położenia nie można określić, a jednocześnie ich oddziaływanie grawitacyjne zależałoby od położenia.
      Inne potencjalne zastosowanie dla takich eksperymentów to przetestowanie niektórych wersji teorii strun, zmodyfikowanej dynamiki newtonowskiej i innych. Naukowcy z Wiednia muszą jednak najpierw wykazać, że rzeczywiście są w stanie badać obiekty we wspomnianej skali.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W marcowym numerze Physical Letters B ukażą się wyniki nowych badań nad ciemną materią. Ich autorzy znacząco zawęzili limity masy, jaką może mieć cząsteczka ciemnej materii. Dzięki tym badaniom łatwiej będzie ją znaleźć. Wyniki uzyskane przez naukowców z University of Sussex wskazują, że ciemna materia nie może być ani ultralekka, ani superciężka, jak mówią niektóre teorie. Chyba, że podlega ona nieznanym nam jeszcze oddziaływaniom.
      Brytyjscy naukowcy wyszli z założenia, że jedyną siłą działającą na ciemną materię jest grawitacja. Na tej podstawie obliczyli, że masa ciemnej materii musi zawierać się w przedziale od 10-3 eV do 107 eV. To znacznie węższy zakres niż postulowany dotychczas. Tym, co czyni badania profesora Xaviera Calmeta i doktoranta Folkerta Kuipersa jeszcze bardziej interesującymi, jest stwierdzenie, że jeśli masa ciemnej materii wykracza poza określony przez nich zakres, to działa na nią jeszcze jakaś siła oprócz grawitacji.
      Po raz pierwszy wykorzystaliśmy to, co wiadomo o grawitacji kwantowej do obliczeń zakresu masy ciemnej materii. Byliśmy zaskoczeni, gdy zdaliśmy sobie sprawę, że dotychczas nikt tego nie zrobił. Równie zaskoczeni byli recenzenci naszej pracy, mówi Xavier Calmet.
      Wykazaliśmy, że ciemna materia nie może być ani ultralekka, ani superciężka – jak teoretyzują niektórzy – póki nie działa na nią nieznana nam siła. Nasze badania pomogą na dwa sposoby. Po pierwsze pozwolą skupić się na węższym zakresie mas w poszukiwaniu ciemnej materii, po drugie mogą potencjalnie pomóc w odkryciu nieznanej siły we wszechświecie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Najbardziej precyzyjny z dotychczasowych pomiarów wartości stałej struktury subtelnej zarysowuje nowe granice dla teorii mówiących o istnieniu ciemnej materii czy ciemnej energii. Nowa wartość to nie tylko dodatkowy test Modelu Standardowego, ale i wskazówka, gdzie należy poszukiwać ciemnej materii, która wraz z ciemną energią stanowi ponad 90% masy wszechświata.
      Stała struktury subtelnej to kombinacja trzech stałych fundamentalnych, stałej Plancka, ładunku elektronu oraz prędkości światła. Łącznie określają one siłę oddziaływań elektromagnetycznych, przez co stała struktury subtelnej powszechnie występuje we wszechświecie. Jako, że jest to wielkość bezwymiarowa, niezależna od systemu jednostek, jest w pewnym sensie bardziej podstawowa niż inne stałe fizyczne, których wartość zmienia się w zależności od systemu.
      Niewielka wartość stałej struktury subtelnej, wynosząca około 1/137 wskazuje, że oddziaływania elektromagnetyczne są słabe. To zaś oznacza, że elektrony znajdujące się na orbitach w pewnej odległości od jądra atomu mogą tworzyć wiązania i budować molekuły. To właśnie ta ich właściwość umożliwiła powstanie gwiazd czy planet. Wielu fizyków twierdzi, że takiej a nie innej wartości stałej struktury subtelnej zawdzięczamy własne istnienie. Gdyby bowiem była ona nieco większa lub nieco mniejsza, gwiazdy nie mogłyby syntetyzować cięższych pierwiastków, takich jak np. węgiel. Życie w znanej nam postaci by więc nie istniało.
      Dotychczasowe pomiary stałej struktury subtelnej umożliwiły prowadzenie precyzyjnych testów zależności pomiędzy cząstkami elementarnymi. Zależności te są opisane równaniami, tworzącymi Model Standardowy. Każda niezgodność pomiędzy przewidywaniami Modelu a obserwacjami może wskazywać na istnienie nieznanych zjawisk fizycznych.
      Zwykle stałą struktury subtelnej mierzy się określając siłę odrzutu atomów absorbujących fotony. Energia kinetyczna tego odrzutu pozwala określić masę atomu. Następnie, na podstawie precyzyjnej znajomości stosunku masy atomu do elektronu, obliczamy masę elektronu. W końcu możemy określić stałą struktury subtelnej z masy elektronu oraz siły wiązań atomowych w wodorze.
      Naukowcy pracujący pod kierunkiem profesor Saidy Guellati-Khelifa z Laboratoire Kastler-Brossel schłodzili atomy rubidu do temperatury kilku stopni powyżej zera absolutnego. Następnie za pomocą lasera stworzyli superpozycję dwóch stanów atomowych. Pierwszy ze stanów odpowiadał atomom odrzucanym w wyniku zaabsorbowania fotonów, drugi zaś, atomom, które nie doświadczają odrzutu. Atomy w różnych stanach różnie propagowały się wewnątrz komory próżniowej. Naukowcy dodali wówczas drugi zestaw impulsów laserowych, który doprowadził do „ponownego połączenia” obu części superpozycji.
      Im większy był odrzut atomu absorbującego fotony, tym większe przesunięcie fazy względem jego własnej wersji, która nie doświadczała odrzutu. Uczeni wykorzystali tę różnicę do określenia masy atomu, z której następnie wyliczyli stałą struktury subtelnej. W ten sposób określili jej wartość na 1/137,035999206(11). Precyzja pomiaru wynosi 81 części na bilion, jest więc 2,5-krotnie większa niż poprzedni najbardziej precyzyjny pomiar wykonany w 2018 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.
      Różnica pomiędzy pomiarem obecnym, a tym z Berkeley rozpoczyna się na 7. cyfrze po przecinku. To zaskoczyło francuskich naukowców, gdyż wskazuje, że albo jedne z pomiarów, albo oba, zawierają nieznany błąd. Autor pomiaru z Berkeley, Holger Müller, komentuje, że wynik uzyskany przez Francuzów potwierdza, iż elektron nie posiada mniejszych struktur i rzeczywiście jest cząstką elementarną.
      Francuzi planują teraz potwierdzić wyniki swoich pomiarów korzystając z innego izotopu rubidu.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...