Десять значимых событий 2023 года в физике и астрономии
1Антиматерия и гравитация
Физики, работающие на установке ALPHA-g в ЦЕРН, экспериментально доказали, что земная гравитация действует на антивещество вниз, как и на обычную материю. Результат ожидаемый, но требовавший проверки, поскольку существует предположение, что антиматерия подвержена антигравитации, то есть для неё гравитация приводит к отталкиванию, а не притяжению. Античастицы обладают той же массой, что и их обычные двойники, но противоположными знаками электрического заряда и других характеристик взаимодействий. Так что в самой идее о противоположном направлении гравитационного взаимодействия ничего странного нет. В частности, её иногда используют для объяснения самых больших загадок современной космологии — преобладания вещества над антивеществом во Вселенной и наблюдаемого её расширения с ускорением, для чего обычно предполагают существование гипотетической тёмной энергии.
Например, в 2012 году космологи из французского Национального центра научных исследований (CNRS) выдвинули гипотезу, что Вселенная содержит равное количество материи и антиматерии, но под действием противоположных сил они разделяются. Вещество «слипается», образуя галактики, а антивещество, наоборот, вытесняется из них, распределяясь тонким слоем между галактиками и действуя как тёмная энергия.
Влияние гравитации на свойства античастиц физики уже изучали, но вот простое падение антивещества благодаря земному тяготению ранее им наблюдать не удавалось. Исследователи достаточно давно могут получать отдельные античастицы, объединять их в атомы и накапливать эти атомы в магнитных ловушках, но для проведения нужных измерений им не хватало чувствительности оборудования. Теперь же эту проблему решили в эксперименте ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus, Аппарат для антиводородной лазерной физики), в котором наблюдали за простейшими атомами антивещества — антиводородом.
В новом эксперименте «трубу» установки ALPHA разместили вертикально. В магнитной ловушке накопили атомы антиводорода, а затем позволили им свободно падать. Перемещение атомов антивещества отслеживали по аннигиляционным вспышкам на стенках установки. Несмотря на кажущуюся простоту описания, эксперимент очень сложный, потребовавший, в том числе, учёта большого числа факторов, например влияния магнитов — их действие создаёт силу, сопоставимую с гравитационной.
2На пути к 120-му элементу
В октябре 2023 года на Фабрике сверхтяжёлых элементов в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ (г. Дубна, Россия) исследователи впервые успешно синтезировали сверхтяжёлый элемент с помощью снаряда-ядра тяжелее 48Ca. В результате бомбардировки ядрами хрома 54Cr мишени из урана 238U они получили ранее неизвестный изотоп ливермория 288Lv (116-го элемента Периодической таблицы Менделеева) со временем жизни чуть менее одной миллисекунды. Уникальный атом не был непосредственной целью эксперимента и стал приятной неожиданностью.
Задачей же эксперимента была подготовка к синтезу ещё неоткрытого 120-го элемента, который носит временное название унбинилий (Ubn). Дело в том, что сверхтяжёлые элементы от 114-го — флеровия до 118-го — оганесона были синтезированы в реакциях с пучком 48Ca, а самое тяжёлое вещество, которое можно наработать в количестве, достаточном, чтобы сделать мишень, — калифорний. Слияние ядер кальция (20-й элемент) и калифорния (98-й элемент) как раз и образует 118-й элемент — последний из синтезированных на сегодняшний день. Чтобы получить сверхтяжёлые элементы с большим атомным номером, надо использовать ядра не кальция, а элементов с большим количеством протонов. Так, для получения 120-го элемента предлагается реакция хрома 54Cr (24-й элемент) с мишенью из кюрия (96-й элемент). Исследованием этого ядра-снаряда и занят ОИЯИ. Полученный результат позволяет надеяться на успешное использование ядра 54Cr для синтеза 120-го элемента, приступить к которому ОИЯИ планирует в 2025 году. После этого, видимо, будет сделана попытка синтезировать также ещё не открытый 119-й элемент, бомбардируя америций (95-й элемент).
3Рентгеновская подпись атома
Команда физиков из нескольких американских лабораторий под руководством профессора Со Вай Хла (Saw Wai Hla, Университет Огайо) разработала метод, использующий синхротронное рентгеновское излучение для исследования отдельного атома в веществе. В качестве объекта изучения были выбраны атомы железа и тербия.
Высокая проникающая способность рентгеновского излучения давно нашла широкое применение для исследования внутренней структуры объектов в науке, медицине, материаловедении и даже при досмотре в аэропортах. Однако для использования традиционных методов необходимо достаточно большое количество атомов, не менее 10 000. Получить характеристики отдельного атома в веществе до сих пор не удавалось. Для решения этой задачи авторы работы сделали своеобразный гибрид рентгеновского спектроскопа и сканирующего туннельного микроскопа, назвав новый метод синхротронной рентгеновской сканирующей туннельной микроскопией (SX-STM).
Работа сканирующих туннельных микроскопов основана на том, что очень тонкий кончик зонда-иглы располагается крайне близко над исследуемой поверхностью и между ними создаётся большая разность потенциалов. Электроны с внешних оболочек атомов поверхности могут при этом «перепрыгнуть» на иглу благодаря туннельному эффекту, в результате возникает так называемый туннельный ток. Чем ближе игла к атомам поверхности, тем легче им даётся туннелирование, тем больше становится перепрыгнувших электронов. При перемещении иглы туннельный ток через неё зависит от рельефа поверхности. Метод позволяет различить даже отдельные «бугорки»-атомы, но их характеристик не даёт.
Исследователи одновременно с туннельным сканированием облучали образец рентгеновским излучением, которое проникало на нижние электронные оболочки, возбуждало близкие к ядру электроны и приводило к их туннелированию. В зависимости от состояния атома его электроны находятся на разных орбиталях, имеют разную энергию и соответственно поглощают фотоны разной длины волны. Регистрируя зависимость туннельного тока от частоты излучения, можно распознать не только сам атом, но и его химическое состояние — на каких орбиталях находились электроны. Для получения характеристик, например атома железа, кончик иглы должен был находиться непосредственно над атомом на расстоянии около 0,5 нанометра.