Итоги 2012-го по версии журнала Physics World

Важнейшим физическим открытием уходящего года ежемесячник Physics World назвал обнаружение частицы, похожей на бозон Хиггса, коллаборациями ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК).

В июле физика пережила такую нечастую неделю славы: телевизионщики и прочие журналисты со всего мира оккупировали женевскую лабораторию, где на довольно скромном семинаре учёные осторожно объявили о том, что полученный ими сигнал очень похож на то, чего стоило бы ждать от хиггсовской частицы.

Разумеется, редакция Physics World сделала этот очевидный выбор вовсе не из-за того, что об этом событии знают, кажется, все. Дело в том, что открытие бозона Хиггса, предсказанного почти полвека назад, завершает экспериментальное подтверждение Стандартной модели. Вот почему это важнейший прорыв в физике XXI века.

Бозон Хиггса и одноимённое поле позволяют объяснить, как сразу после Большого взрыва оказалась нарушена электрослабая симметрия, после чего элементарные частицы приобрели массу. Главной загадкой оставалась масса бозона: Стандартная модель не может её предсказать. Два БАК-эксперимента независимо друг от друга обнаружили частицу с массой около 125 ГэВ/с². Принципиально важно, что обе группы заявляют об уровне достоверности со значением 5σ. Это тот статистический порог, после которого об открытии элементарной частицы можно говорить, не краснея.

Physics World отмечает ещё и то, что коллаборации ATLAS и CMS сами по себе заслуживают награды, ибо в истории физики ещё не было столь масштабных экспериментов, в которых были бы задействованы тысячи человек и которые продолжались бы два десятилетия. Ещё в начале 1990-х, когда планы строительства Большого адронного коллайдера только-только приобрели очертания, физики из Европейской организации по ядерным исследованиям стали задумываться о детекторах размером с небольшой бизнес-центр для захвата и измерения множества частиц, создаваемых при столкновении двух протонов (см. изображение выше) с энергией в несколько тераэлектронвольт. Некоторые специалисты сосредоточились на решении задачи хранения и распространения огромного количества данных среди физиков всего мира (так родилась Всемирная паутина). Ещё больше внимания было уделено разработке методов анализа этой запутанной информации.

Сам факт того, что удалось справиться со всеми трудностями, заслуживает награды. Первые данные стали поступать в 2010 году, и Фабьола Джанотти из ATLAS утверждает, что к настоящему времени ускоритель дал в 10 раз больше данных, чем ожидалось. Это одна из причин, по которой обоим экспериментам удалось поймать бозон Хиггса всего за два с лишним года работы. В действительности точный характер новой частицы проявляется в том, как она распадается на другие частицы, которые затем и обнаруживали ATLAS и CMS. И хотя до сих пор многие эксперты, опасаясь сесть в калошу, говорят лишь о «частице, похожей на бозон Хиггса» (кстати, ATLAS и CMS тоже предпочитают эту формулировку), растёт корпус доказательств в пользу того, что открытие всё же состоялось. Например, на ноябрьской конференции в Японии коллаборации предоставили данные анализа новых столкновений с энергией 8 ТэВ, которые были произведены после июльского объявления.

Сейчас протонные столкновения прекращены. До 11 февраля 2013 года на БАКе с той же энергией будут сталкивать протоны с ионами свинца. Затем ускоритель остановят на два года для модернизации. На следующем этапе энергию экспериментов доведут до 13 ТэВ.

ATLAS и CMS потратят перерыв на анализ накопленных данных. До сих пор остаётся неясным спин новой частицы. Стандартная модель предсказывает, что он должен быть нулевым, но есть вероятность, что спин может быть равен «2» (вариант с единицей уже исключён). Обе коллаборации считают, что эту проблему можно решить путём анализа имеющихся данных. Джо Инкандела, представляющий CMS, прогнозирует, что результаты измерения спина с уровнем достоверности 3−4σ могут быть представлены уже в середине 2013 года.

Ну а столкновения на энергиях 13 ТэВ и выше, которые, как предполагается, будут осуществляться в течение трёх лет, позволят измерить практически каждый аспект бозона. Например, можно будет обнаружить такие каналы распада, которые остаются незамеченными при энергии 8 ТэВ и которые необходимы, чтобы собрать все кусочки головоломки. Кроме того, следует помнить, что бозон Хиггса с массой менее 130 ГэВ/с² вписывается не в саму Стандартную модель, а в её расширенную версию, подразумевающую суперсимметрию. Изучение такой частицы может позволить заполнить многие пробелы в нашем понимании природы — например, того, что есть тёмная материя.

Теперь о других выдающихся открытиях.

Лео Коувенховен (на фото) и его коллеги из Делфтского и Эйндховенского технологического университетов (Нидерланды) в этом году первыми заметили признаки неуловимых фермионов Майораны в твёрдом теле. Речь идёт о частицах, которые одновременно выступают в роли своих собственных античастиц. Предложены таковые в 1937 году итальянским физиком Этторе Майораной. Позднее была высказана гипотеза о том, что подобные квазичастицы могут таиться в материалах с особыми топологическими свойствами. Обнаружить что-то похожее удалось на границе топологического сверхпроводника и полупроводника. Кстати, фермионы Майораны могут оказаться невосприимчивыми к «шуму» окружающей среды и потому пригодятся в квантовых компьютерах. Стоит отметить, что этот фермион ждали не меньше, чем бозон Хиггса.

Почти 50 лет физики дожидались прямых наблюдений нарушения T-симметрии. Анализ данных, полученных детектором коллаборации BaBar на коллайдере PEP-II Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США), показал, что это произошло. Учёные сфокусировались на переходах между квантовыми состояниями B0-мезона и выяснили, что скорость переходов варьировалась. Само существование этого феномена никого не удивляет, но непосредственные экспериментальные измерения можно считать важным подтверждением квантовой теории поля.

По движению скоплений далёких галактик можно многое узнать о формировании Вселенной, а также пролить свет на тёмную материю и тёмную энергию. Примерно 40 лет назад советские физики Рашид Сюняев и Яков Зельдович рассчитали, что это движение можно наблюдать путём измерения небольшого сдвига температуры реликтового излучения. Именно это и сделали Ник Хэнд из Калифорнийского университета в Беркли (США) и его коллеги, работавшие с шестиметровым телескопом ACT (Atacama Cosmology Telescope) в рамках «Спектроскопического исследования барионных колебаний» (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, BOSS).

Огромную роль в современной медицине играет способность видеть тело насквозь, для чего разработан целый спектр методик, от рентгеновского исследования до магнитно-резонансной томографии. Тем не менее биологическая ткань остаётся непроницаемой для большей части электромагнитного спектра (в том числе оптической), поэтому врачи сильно ограничены в своих возможностях. Алларду Моску и его коллегам из Института нанотехнологий MESA+ и Университета Твенте (Нидерланды) удалось с помощью самого обыкновенного эффекта — лазерного спекла — разглядеть микрометровые флюоресцирующие объекты сквозь несколько миллиметров непрозрачного материала (см. изображение выше).

Твердотельные мазеры представляют собой высокочувствительные микроволновые детекторы, а потому их можно широко применять в телекоммуникациях и системах создания изображений. До сих пор, однако, мазеры приходилось охлаждать до чрезвычайно низкой температуры с помощью жидкого гелия (иначе они просто не будут работать), что делало их непрактичными для коммерческого использования. Теперь ситуация должна измениться благодаря Марку Оксборроу из Национальной физической лаборатории, Джонатану Бризу и Нилу Алфорду из Имперского колледжа Лондона (Великобритания), которые построили первый мазер, способный работать при комнатной температуре.

Со времён знаменитого демона Джеймса Клерка Максвелла исследователи пытались нащупать связь между теорией информации и термодинамикой. В 1961 году германо-американский физик Рольф Ландауэр доказывал, что стиранию информации сопутствует рассеяние тепла. Подтвердить эту гипотезу в лаборатории сумел секстет физиков из Франции и Германии — с помощью смены состояний крошечного шарика, захваченного в лазерную ловушку.

Орбитальный угловой момент движущегося по спирали светового луча физики перестали игнорировать около 20 лет назад. Сегодня учёные мечтают о новом применении «скрученного света». Среди них — Антон Цайлингер, Роберт Фиклер и их коллеги из Венского университета (Австрия), которым удалось запутать фотоны с орбитальным квантовым числом вплоть до 300, что в десять с лишним раз больше предыдущего рекорда. Это пригодится не только в квантовых компьютерах, но и для запутывания макроскопических объектов, а также в дистанционном зондировании.

Если вам захочется отправить сообщение на другой конец Вселенной (или хотя бы на подводную лодку), вашими лучшими друзьями станут нейтрино. Послание доберётся обязательно, потому что эти субатомные частицы могут запросто пройти без изменений сквозь свинец толщиной в тысячу световых лет. Проблема, однако, в том, как зашифровать и обнаружить сигнал, передаваемый посредством частиц, которые реагируют очень редко. Группе физиков под руководством Дэниэла Стэнсила из Университета Северной Каролины (США), работавшей с нейтринным лучом NuMI Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми и детектором MINERvA, удалось передать информацию более чем на километр. Хотя скорость передачи была невелика (0,1 б/с), сообщение приняли почти без ошибок (1%), что подтверждает принципиальную возможность связи на основе нейтрино.

Мобильные телефоны имеют обыкновение разряжаться в самый неподходящий момент. Вместо того чтобы искать зарядное устройство и розетку, намного удобнее было бы воспользоваться изобретением Чжун Линь Вана (на фото) и его коллег из Технологического института штата Джорджия (США), которое добывает энергию из ходьбы и прочих движений и, конечно, запасает её. Концепция ни в коем случае не нова, просто впервые удалось научиться преобразовывать механическую энергию непосредственно в химическую потенциальную, минуя стадию электрической энергии.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.
Дмитрий Целиков
science.compulenta.ru