На дворе последние дни декабря, а значит самое время подвести итоги уходящего года вместе с Американским физическим сообществом. Кроме открытия пентакварка и неравенств Белла, в шорт-лист вошли мимивирусы, темная материя и лопающиеся воздушные шарики. Добро пожаловать под кат.

LHC, дай пять!

Согласно Стандартной модели, кирпичиками мироздания являются шесть элементарных частиц под названием кварки (и еще несколько других, но речь сегодня не о них). Из-за особенностей взаимодействия кварки не наблюдаются поодиночке, а собираются в группы из двух или трех. Например, протон и нейтрон состоят из трех кварков.

А есть ли частицы, состоящие из большего числа кварков? Этим вопросом задавались еще полвека назад, а окончательный ответ «да» от коллаборации LHCb прозвучал лишь в августе этого года. Для открытия понадобилась экспериментальная хитрость: Большой адронный коллайдер сталкивает две частицы с такой дикой энергией, что вокруг образуется облако из гигантского количества продуктов распада. Отследить траектории отдельных продуктов в этой каше практически нереально.

К счастью, большинство из продуктов распада живет очень мало. Самые долгоживущие из них успевают отлететь от точки столкновения, где наблюдать за их траекториями гораздо проще. Например, так ведут себя лямбда-барионы: их времени жизни достаточно, чтобы отлететь на значительное расстояние и там распасться на заветный пентакварк и К-мезон. Поэтому авторы работы целенаправленно отслеживали лишь распады лямбда-бариона, что позволило им обнаружить даже не один, а целых два пентакварка.

Конец локального реализма

Согласно современной квантовой механике, манипуляции с частицей А могут мгновенно изменять состояние сколь угодно далекой частицы В без каких-либо каналов связи. В каком-то смысле это свидетельствует о сверхсветовой передаче информации. С этим никак не мог смириться Эйнштейн: ведь в специальной теории относительности скорость любого взаимодействия в природе жестко ограничена скоростью света. Чуть позже Белл предложил эксперимент, позволивший разрешить противоречие. Идеей было создать две запутанных частицы, совершить с ними независимые манипуляции, после чего измерить их состояния. Эксперимент указал на неправоту Эйнштейна; однако в нем оставались некоторые лазейки:

Лазейка локальности: манипуляции с частицами должны быть независимы. Во-первых, они должны быть случайны (понадобится аппаратный генератор случайных чисел); во-вторых, информация от одной манипуляции не должна достигнуть другой до ее завершения (значит, нужно разнести их в пространстве достаточно далеко друг от друга).

Лазейка детектирования: обычно запутанными частицами являются фотоны, а эффективность детектирования одиночных фотонов не очень-то велика. Множество фотонов остаются незадетектированными, и в принципе могут передавать информацию. Для закрытия этой лазейки нужно использовать очень эффективные фотоприемники; или же заменить фотоны на что-то другое.

Обе лазейки по отдельности были закрыты достаточно давно. Нынешний же год ознаменовался одновременным закрытием обеих лазеек в одном эксперименте; причем, этого добились одновременно три группы – из Нидерландов, Австрии и NIST в Колорадо. Это прекрасно соотносится с квантовой механикой. Впрочем, после этого появились новые лазейки, на этот раз связанные с механизмом запутывания частиц; правда, пока непонятно, так ли они существенны.

3D-рентген для вируса

Знаете, как была открыта структура ДНК? Это чудесная история, важную роль в которой сыграла рентгеновская кристаллография. Если посветить на молекулу рентгеновским излучением, то в результате взаимодействия с ней оно образует дифракционную картину, по которой можно восстановить структуру молекулы. Проблема в том, что дифракционная картина от одиночной молекулы очень нечетка. Для усиления контраста много одинаковых молекул собирают в кристалл, чтобы сложить слабый сигнал от каждой из них в один сильный.

Некоторые молекулы легко собрать в кристалл, другие (например, ДНК) – чуть сложнее. А что, если молекула вообще не кристаллизуется? До недавнего времени казалось, что в таком случае ничего сделать не получится. Все изменилось в этом году: коллаборация со всего мира использовала яркий рентгеновский источник, чтобы осветить огромный мимивирус с разных сторон и получить 198 более-менее четких дифракционных картин. Сложный итеративный алгоритм сложил эти данные в трехмерную картинку, из которой удалось определить форму вируса. Получилась 3D-модель (правая нижняя картинка) с разрешением 125 нм. Хоть это и не очень много, основной прорыв этой работы в том, что современные алгоритмы и яркие рентгеновские источники позволяют нам узнать структуру одной единственной молекулы.

Всемирный атлас темной материи

Значительную часть вещества во Вселенной составляет темная материя – невидимая субстанция, подверженная лишь гравитационному взаимодействию. По этой причине ее присутствие можно обнаружить лишь как дополнительную массу, которая, например, объясняет, почему края галактик вращаются быстрее, чем должны. А еще массивные объекты, как известно, искривляют пространство-время. Очень тяжелые объекты (типа черных дыр) приводят к гравитационному линзированию и крестам Эйнштейна; более легкие – как большие области темной материи – слегка «вытягивают» изображения.

Эта особенность была использована крупной международной коллаборацией для составления большой карты темной материи. Астрономы анализировали данные телескопа в Чили, определяя степень вытянутости изображения галактик. Если бы на их пути не было массивных объектов, изображения были бы неискаженными. Присутствие темной материи сжимает изображения и позволяет определить массу темной материи с достаточно большой точностью. Проанализировав изображения двух миллионов галактик, астрономы сумели составить довольно подробную карту распределения темной материи во Вселенной. К слову, эта работа делается в рамках крупномасштабного исследования Dark Energy Survey, и на сегодня обработаны лишь 3% ожидаемых данных – а значит, в ближайшие годы карта будет становиться все детальнее.

Полуметаллы Вейла

80 лет назад математик Герман Вейл предложил уравнение, описывающее элементарные частицы с нулевой массой и отличной от нуля хиральностью. По имени автора они были названы фермионами Вейла. Никаких элементарных частиц обнаружено не было; зато выяснилось, что это же уравнение может описывать поведение электронов в некоторых полуметаллах. В этом году одновременно две группы из Принстонаи Пекинавыяснили, что именно так ведут себя электроны в арсениде тантала (TaAs). Еще одна группа из MIT исследовала не электроны в периодическом кристалле TaAs, а фотоны в рукотворной периодической структуре – фотонном кристалле. Им также удалось увидеть, что поведение фотонной системы совпадает с предсказанным Вейлом.

В целом поведение электронов в арсениде тантала очень похоже на их поведение в графене: в обоих материалах электроны обладают нулевой эффективной массой. Этим обусловлена перспективность открытия: как и графен, арсенид тантала может быть использован как материал с гигантской мобильностью носителей заряда и крайне низким электрическим сопротивлением.

Кубиты – на орбиту!

Передавать информацию при помощи света легко и удобно. Для классических битов «0» и «1» принято кодировать включением или выключением источника света. Квантовые биты (кубиты) могут представлять собой комбинацию нуля и единицы, и для их передачи обычно используют поляризацию света: вертикальная – «0», горизонтальная – «1», другие состояния отвечают комбинациям «0» и «1». Сегодня кубиты успешно передают по оптоволокнам (квантовые сети под Веной и Женевой длиной 50–80 км) и по открытому воздуху (до 150 км).

А можно ли послать кубит еще дальше? Итальянская коллаборация рискнула отправить фотоны-кубиты на спутник, где они отражались от уголкового отражателя и возвращались обратно на Землю. Целью эксперимента было понять, насколько сильно кубит искажается после такого полета, и можно ли будет его «прочитать». Для сравнения использовали пять разных спутников: один из них заведомо искажал поляризацию и должен необратимо испортить кубит, четыре остальных не должны были вносить искажений. Ожидания подтвердились: канал связи через атмосферу оказался нешумным, и квантовую информацию удалось прочитать после тысячекилометрового полета. А это значит, что квантовая криптография в космосе уже не за горами.

Микроскоп для фермионов

Все известные нам частицы делятся на бозоны (с целым спином) и фермионы (с полуцелым спином). Любое количество бозонов может занимать один и тот же энергетический уровень. Например, бозоны, занимающие состояние с минимальной энергией, образуют конденсат Бозе-Эйнштейна; его открытие было удостоено Нобелевской премии, а многочисленные исследования прояснили массу нюансов в квантовой механике и смежных областях.

С фермионами все не так просто: принцип Паули запрещает занимать один энергетический уровень более, чем двум фермионам. Хотя если фермионы находятся далеко друг от друга (на расстоянии микрона), то они почти не чувствуют друг друга и могут оставаться на одном и том же уровне. В этом году целых три лаборатории из

MIT, Гарварда и Глазго сумели охладить много фермионов (атомов лития или калия) до состояния с минимальной энергией; разместить их в узлах прямоугольной решетки, чтобы они не «мешали» друг другу и успешно сфотографировать (это отдельное искусство). В будущих планах заставить фермионы в соседних узлах взаимодействовать друг с другом. Это откроет новую страницу в физике и позволит моделировать поведение электронов (которые тоже фермионы) в разных системах. Например, моделирование сверхпроводников может пролить свет на их особенности и позволить создать новые высокотемпературные сверхпроводники.

Время взрывать шарики

Казалось бы, что может быть интересного в лопающемся воздушном шарике? Оказывается, это может быть важным для понимания процессов распространения дефектов в разнообразнейших структурах; и шарик – идеальная модельная система для такого исследования: он стоит копейки и с ним невероятно просто работать. Это замотивировало исследователей из Парижа, которые выяснили, что шарик взрывается совершенно по-разному в зависимости от того, насколько он надут.

Энергия надутого шарика запасена в виде эластичного натяжения оболочки; прокол позволяет снять это напряжение и вернуть оболочку к первоначальной форме. Оказывается, при проколе шарик стремится избавиться от запасенной энергии максимально быстрым способом. Если натяжение оболочки мало (скажем, если вы ткнули слегка надутый шарик иголкой), то прокол распространяется в две стороны до тех пор, пока весь воздух не выйдет наружу. Если же натяжение оболочки было велико (мы надували шарик, пока он не лопнул), то одного разрыва недостаточно, чтобы энергия высвободилась достаточно быстро. Становится выгодно образовать не один, а несколько разрывов, радиально распространяющихся от прокола:

Чем сильнее был надут шарик, тем больше образуется радиальных разрывов. Этот на первый взгляд курьезный результат оказался очень интересным для изучения фрагментации и поведения разломов и подобных дефектов в разных системах. Ранее исследования (в основном теоретические) были посвящены поведению пересекающихся или сливающихся разрывов. Новая работа открыла глаза на расщепление таких дефектов.

Вот такими открытиями запомнился уходящий год. Надеемся, год наступающий окажется не менее интересным =).