13.02.2013

Физика-2012: бозон Хиггса и другие частицы

Ушедший год был отмечен серией прорывов в области теоретической и экспериментальной физики. Некоторые ученые считают, что он был вообще переломным — его открытия вывели мировую науку на новый уровень. Но все-таки, какие из них оказались наиболее значимыми? Свою версию топ-10 в области физики предлагает авторитетный научный журнал Physics World.

На первое место издание, конечно же поставило обнаружение частицы, похожей на бозон Хиггса, коллаборациями ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК). Как мы помним, открытие частицы, предсказанной почти полвека назад, должно было завершить экспериментальное подтверждение Стандартной модели. Вот почему многие ученые сочли обнаружение неуловимого бозона важнейшим прорывом в физике XXI века.

Бозон Хиггса был так важен ученым, потому что его поле позволяет объяснить, как сразу после Большого взрыва оказалась нарушена электрослабая симметрия, после чего элементарные частицы вдруг приобрели массу. Парадоксально, но одной из самых главных загадок для экспериментаторов долгое время оставалась ни что иное, как масса этого бозона, поскольку Стандартная модель не может ее предсказать. Приходилось действовать методом проб и ошибок, однако в итоге два эксперимента на БАК независимо друг от друга обнаружили частицу с массой около 125 ГэВ/с². Причем достоверность данного события достаточна велика.

Следует заметить, что в бочку меда все-таки прокралась небольшая ложка дегтя — до сих пор далеко не все уверены, что найденный физиками бозон является хиггсовским. Так, остается неясным, чему равен спин этой новой частицы. Согласно Стандартной модели, он должен быть нулевым, но есть вероятность, что он может быть равен 2 (вариант с единицей уже исключен). Обе коллаборации считают, что эту проблему можно решить путем 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.

Кроме того, есть некоторые сомнения относительно ряда каналов распада частицы — в некоторых случаях этот бозон распадался не так, как было предсказано все той же Стандартной моделью. Однако сотрудники коллабораций считают, что и это удастся прояснить, сделав более точный анализ результатов. Кстати, на ноябрьской конференции в Японии сотрудники БАК предоставили данные анализа новых столкновений с энергией 8 ТэВ, которые были произведены после июльского объявления. И то, что получилось в результате, говорило в пользу того, что летом был найден все же бозон Хиггса, а не какая-то другая частица.

Впрочем, даже если это не тот бозон, все равно, по мнению Physics World, коллаборации ATLAS и CMS заслуживают награды. Ибо в истории физики еще не было столь масштабных экспериментов, в которых были бы задействованы тысячи человек и которые продолжались бы два десятилетия. Впрочем, возможно, такой наградой будет заслуженный продолжительный отдых. Сейчас протонные столкновения прекращены, и достаточно надолго — как видите, если бы даже пресловутый "конец света" был реальностью, то коллайдер точно был бы в нем не виноват, поскольку в это время он стоял выключенным. В январе-феврале 2013 года на нем с той же энергией будут проведены несколько экспериментов по столкновению протонов с ионами свинца, а затем ускоритель остановят на два года для модернизации, чтобы после вновь запустить, доведя энергию экспериментов до 13 ТэВ.

Второе место журнал отдал группе ученых из Делфтского и Эйндховенского технологического университетов (Нидерланды) под руководством Лео Коувенховена, которые в этом году первыми заметили признаки доселе неуловимых фермионов Майораны в твердом теле. Эти забавные частицы, существование которых предсказал еще в 1937 году физик Этторе Майорана, интересны тем, что они могут одновременно выступать в роли своих собственных античастиц. Предполагается также, что фермионы Майораны могут входить в состав загадочной темной материи. Неудивительно, что их экспериментального обнаружения ученые ждали не меньше, чем открытия бозона Хиггса.

На третье место журнал поместил работу физиков из коллаборации BaBar на коллайдере PEP-II Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США). И что самое интересное, эти ученые опять-таки экспериментально подтвердили предсказание, сделанное 50 лет тому назад — они доказали, что при распаде B-мезонов происходит нарушение Т-симметрии (так называют соотношение между прямым и обратным процессом в обратимых явлениях). В итоге исследователи выяснили, что при переходах между квантовыми состояниями B0-мезона их скорость варьируется.

На четвертом месте снова проверка давнего предсказания. Еще 40 лет назад советские физики Рашид Сюняев и Яков Зельдович рассчитали, что движение скоплений далеких галактик можно наблюдать путем измерения небольшого сдвига температуры реликтового излучения. И вот лишь в этом году это удалось осуществить на практике Нику Хэнду из Калифорнийского университета в Беркли (США), его коллеге и шестиметровому телескопу ACT (Atacama Cosmology Telescope) в рамках проекта "Спектроскопическое исследование барионных колебаний".

Пятое место заняло исследование группы Алларда Моска из Института нанотехнологий MESA+ и Университета Твенте (Нидерланды). Ученые предложили новый способ исследования процессов, происходящих в организмах живых существ, который менее вреден и более точен, чем известная всем рентгенография. Ученым удалось, используя эффект лазерного спекла (так называется случайная интерференционная картина, образующаяся при взаимной интерференции когерентных волн, имеющих случайные сдвиги фаз и случайный же набор интенсивностей), разглядеть микроскопические флюоресцирующие объекты сквозь несколько миллиметров непрозрачного материала. Нет нужды упоминать, что подобная технология тоже была предсказана несколькими десятилетиями раньше.

На шестом месте уверенно обосновались исследователи Марк Оксборроу из Национальной физической лаборатории, Джонатан Бризу и Нил Алфорд из Имперского колледжа Лондона (Великобритания). Им удалось построить то, о чем также мечтали долгие годы — мазер (квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона), способный работать при комнатной температуре. До сих пор эти приборы приходилось охлаждать до чрезвычайно низкой температуры с помощью жидкого гелия, что делало нерентабельным их коммерческое использование. А теперь мазеры можно будет применять в телекоммуникациях и системах создания сверхточных изображений.

Седьмое место заслуженно присудили группе физиков из Германии и Франции, которые смогли установить связь между термодинамикой и теорией информации. Еще в 1961 году Рольф Ландауэр доказывал, что стиранию информации сопутствует рассеяние тепла. И вот в этом году это предположение экспериментально подтвердили ученые Антуан Беру, Артак Аракелян, Артем Петросян, Серджио Силлиберто, Рауль Деллиншнайдер и Эрик Лутц.

Австрийские физики Антон Цайлингер, Роберт Фиклер и их коллеги из Венского университета (Австрия), которые смогли запутать фотоны с орбитальным квантовым числом вплоть до 300, что в десять с лишним раз больше предыдущего рекорда, попали на восьмое место. Данное открытие имеет на только теоретический, но и практический выход — подобные "запутанные" фотоны смогут стать носителями информации в квантовых компьютерах и в системе оптической кодировки связи, а также в дистанционном зондировании.

На девятое место попала группа физиков под руководством Дэниэла Стэнсила из Университета Северной Каролины (США). Ученые работали с нейтринным лучом NuMI Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми и детектором MINERvA. В итоге им удалось передать информацию при помощи нейтрино более чем на километр. Хотя скорость передачи была невелика (0,1 б/с), сообщение приняли почти без ошибок, что подтверждает принципиальную возможность связи на основе нейтрино, которую можно использовать при общении с космонавтами не только на соседней планете, но даже и в другой галактике. Кроме того, это открывает большие перспективы для нейтринного сканирования Земли — новой технологии поиска полезных ископаемых, а также для выявления землетрясений и вулканической активности на ранних стадиях.

Завершает же топ-10 журнала Physics World открытие, сделанное физиками из США — Чжун Линь Ваном и его коллегами из Технологического института штата Джорджия. Они разработали устройство, которое добывает энергию из ходьбы и прочих движений и, конечно же, запасает ее. И хотя такой способ был известен и раньше, но на десятое место эта группа исследователей попала за то, что им впервые удалось научиться преобразовывать механическую энергию непосредственно в химическую потенциальную, минуя стадию электрической.

Итак, нынешний год действительно можно назвать годом, когда сбылись многие предсказания, сделанные физиками ранее. То есть он может вполне претендовать на звание года, во время которого сбылись мечты ученых прошлого. Все это здорово, однако немножко обидно за то, что в списке выдающихся открытий нет ни одного достижения российских исследователей.

Антон Евсеев

Источники:

1. ПРАВДА.Ру