Преди известно време попаднах на интернет страницата на symmetry magazine — издание на Фермилаб (най-големият кръгов ускорител на частици в САЩ) и SLAC (Stanford Linear Accelerator Center — най-големият линеен ускорител на САЩ) — и двете съоръжения са финансирани от US Department of Energy.
На сайта на списанието има възможност за абониране не само за електронния формат, но и за хартиения. При това безплатно. Реших да пробвам и ето, че днес получих втори брой.
Самото списание не е нещо особено, но има интересни статии от физиката на елементарните частици и други аспекти на тази забележителна наука. Та който иска, може да се абонира на тази страница (или да го чете онлайн, разбира се).
Преди няколко дни Катя ми подсказа за една статия в Нетинфо с източник Physorg. Става дума за експеримент на CERN и Италианския институт за ядрена физика, при който физиците са успяли да запечатат частица неутрино на фотографски филм. За неутриното писах скоро по повод "Най-странните неща във Вселената"тук. И преди това тук. Ето какво представлява самият експеримент:
CNGS — CERN Neutrinos to Gran Sasso
От инсталациите в CERN се изстрелват протони, които бомбардират графитена мишена. Полученият поток от пиони и каони (вид елементарни частици) се насочва с помощта на магнити към италианската Национална лаборатория под планината Gran Sasso (Голям камък) до Рим. Във Physorg и съответно в превода на Нетинфо е объркано със San Grasso — Света мазнина :). По пътя пионите и каоните се разпадат до мюони и мюонно неутрино и накрая специален филтър пропуска само неутриното. То започва 2.4-милисекундно пътешествие в земната кора и след около 730 км стига подземните детектори в Gran Sasso.
От пристигащите милиони неутрина само няколко от тях биват засечени. Засичането на неутрино не е новост — това се прави от десетки години на различни места по света. Новост е фактът, че единият от детекторите в Gran Sasso — OPERA — ще бъде въоръжен със 150000 малки "тухли" от два пласта олово и фотографски филм между тях. Всяка от тези тухли е нещо като фотоапарат, който може много по-прецизно да измери характеристиките на каскадата от частици, които изникват при взаимодействието на неутриното с тухлата. Когато било "фотографирано" първото неутрино на 2 октомври вече е имало 60000 инсталирани тухли. Последвали още десетина сблъсака, като "ударените" тухли веднага били свалени и изпратени за микроскопски анализ.
Целта на експеримента е да бъде засечено тау-неутрино — един от трите "аромати", които неутриното може да има. Понеже изстреляните от CERN неутрина са само мюонни, откриването на тау-неутрино ще е пряко доказателство за свойството му да се променя, което пък значи, че има маса.
В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)
Тази събота е денят на неутриното. За тази елементарна частица е ставало дума преди. Тя е загадка за съвременната физика, защото е много трудно да бъде засечена и е една от най-мистериозните частици. Образува се на много горещи места — например в недрата на Слънцето — където действат процеси на термоядрен синтез. Смята се, че при всеки сблъсък на две водородни ядра (т.е. два протона) се отделя по едно неутрино, но проблемът е, че нашите детектори не успяват да засекат съответстващият на процесите в Слънцето брой неутрина. Това отчасти е така, защото те имат свойството да преминават с много, много висока скорост през познатата ни материя без да взаимодействат с нея. Но това не е цялата истина.
Теорията казва, че има три типа (аромати): електронно, мюонно и тау-неутрино. Оказва се, че неутриното има необичайната способност с времето да преминава от един аромат в друг. А нашите детектори, които разчитат на гигантски обеми от течности (или чист полярен лед), където неутрино се удря в частица материя и може да бъде видяно, са чувствителни само към един от тези аромати (най-лекото — електронното).
Това явление ни подсказва още нещо: неутриното има маса, защото иначе няма как да се превръща от един тип в друг. Въпреки това може би най-голямата загадка във Вселената — тъмната материя — не може да бъде обяснена с фантомното неутрино. Науката тепърва прохожда в тези вълнуващи насоки, а ние ще следим с интерес.
Схема на IceCube Neutrino Detector. Концепцията е да се спуснат хиляди оптични детектори в ледовете на Антарктида, които да улавят редките изблици на излъчване на Черенков (дъжд от вторични частици — своеобразна следа от взаимодействие на неутрино с материята). Защо там и защо толкова дълбоко? Защото само неутриното може да проникне в тези ледове и резултатите няма да бъдат "замърсени" от други частици.
От време на време астрономите се натъкват на изненадващи открития, които се оказват предизвикателство за съществуващите теории. Когато това стане и някава работа бива публикувана в някое от престижните издания, тогава научната общност започва да работи в новите насоки. Изказват се хипотези, търсят се обяснения, наблюденията се повтарят (ако е възможно) и общо взето бавно, бавно се търси логично обяснение.
През 2005 година екип от астрономи наблюдавали такова събитие. Те насочили телескопа MAGIC към блейзара Markarian 501 и засякли поток от високоенергийни гама-лъчи. След като анализирали данните, те стигнали до странни резултати: според изчисленията им високоенергийните гама-фотони пристигнали 4±1 минути по-късно от нискоенергийните фотони. Въпросът е защо едните фотони са закъсняли (т.е. са се движели по-бавно от скоростта на светлината) и засега няма отговор.
Има няколко възможни варианта:
Понеже тези лъчи идват от далеч (500 млн св.г.), от недрата на свръхмасивна черна дупка, която не може да погълне всичката материя, падаща върху нея, и понеже механизмите на действие на такива екзотични обекти все още не са ни изцяло ясни, то може високоенергийните лъчи да са се образували 4 минути по-късно. Учените-автори на преработената работа, пусната в arXiv обаче твърдят, че това е малко вероятно.
Не е изключено разликата да е възникнала по време на дългото пътуване на лъчите из Космоса, защото не се знае през какво са преминали преди да достигнат нашите детектори.
Едно по-екзотично обяснение е предвиденото от някои теории на квантовата гравитациязабавяне в зависимост от енергията (честотата) на фотоните, направено преди десетина години.
Докато първите две обяснения са по-обикновени и може би очаквани, то третото е по-особено. Това е така, защото досега няма преки доказателства за която и да е теория на квантова гравитация. Теоретиците се надяват да получат такова доказателство възможно най-скоро, и идеята е, че това може да е дългоочакваното доказателство. Сега, ако наистина е така, то това действително ще предизвика експлозия във физиката. Може би затова редица учени са въодушевени, но само бъдещи наблюдения и изследвания ще покажат каква е истината.
Та да се върнем на "абстрактното" обяснение. (В този параграф ще пропускам изрази като "може би", "предполага се" и т.н. Ясно е, че говорейки за "квантова гравитация" всичко е на ниво непроверени хипотези.) Основната идея е, че високоенергийните фотони причиняват микроскопични флуктуации в тъканта на пространство-времето, които играят ролята на субатомни "лещи". Колкото по-висока енергия има фотонът, толкова по-големи флуктуации ще причинява, т.е. толкова по-трудно ще минава през пространство-времето, следователно ще се забави. Според някои изчисления 4-минутното закъснение за тези 500 млн св.г. се вписват прилежно в тази хипотеза. Четири минути са много, много, много кратко време отнесено към половин милиард години, но не бива да очакваме, че флуктуациите (известни още като "квантова пяна") ще имат голям ефект върху фотоните. По принцип квантовите ефекти действат на субатомно ниво (планкова дължина), което ги прави изключително трудни за откриване. Интересно също е, че от това закъснение може да се определи на какво ниво квантовата гравитация започва да действа. Според някои модели това са около 5×10^17 GeV, според други — 6×10¹º GeV.
Това обяснение на закъсняването на фотоните е по-нестандартно и съответно учените са предпазливи. Самите автори на работата се подсигуряват като твърдят, че са нужни още наблюдения на други мощни източници на гама-лъчи, както и проверка на по-конвенционални хипотези. Едно е сигурно: учените ще имат доста работа.
Относно подробности за използвания телескоп, методите и други неща: статията в блога за наука на Капитал. Допълнително попаднах на интересни нови (за мен) блогове, в които е писано по въпроса, но ще ги прегледам друг път: the reference frame, ars technica.
Бозонът на Хигс — фундаменталната частица, предсказана от теоретика Питър Хигс — може да е отговора на въпроса защо частиците имат маса. За да обясним връзката, трябва да осъзнаем важен факт за природата: вакуумът далеч не е празен! Всъщност той е пълен с т.нар. виртуални частици и силови полета. Произходът на масата изглежда е свързан с този феномен.
В теорията на относителността на Айнщайн има съществена разлика между частиците с маса и тези без маса: Всички частици без маса трябва да се движат със скоростта на светлината, докато масивните частици никога не могат да достигнат тази скорост. Но как са се появили частиците с маса? Хигс предположил, че вакуумът съдържа вездесъщо поле, което може да забавя някои (иначе безмасови) елементарни частици — подобно на куршум, движещ се в съд с гъста течност. Такива частици биха се държали като масивни частици и не биха могли да достигнат скоростта на светлината. Други частици (например фотоните на светлината) имат имунитет към това поле, не се забавят и следователно нямат маса.
Въпреки че полето на Хигс не може да се измери директно, ускорителите могат да го възбуждат и да разкриват т.нар. бозони на Хигс, които да видим. Досега експериментите с най-мощните ускорители на земята не са засекли бозони на Хигс, но косвени доказателства сочат, че физиците са изправени пред зашеметяващо откритие.
________ * Превод от електронното списание за физика на елементарните частици symmetry. Автор: Howard E. Haber, University of California, Santa Cruz Изображение: CERN
Многократно завършвам постовете си със споменаването на Големия адронов колайдер — или по-известен със съкращението си LHC (от Large Hadron Collider). Сега ми се иска да посветя един пост специално на него, защото този колайдер е нещо наистина специално.
Големият адронов колайдер е ускорител на частици, който се строи в момента в ЦЕРН (Европейска организация за ядрени изследвания) до Женева, Швейцария. Той заема мястото на стария LEP (Large Electron-Positron Collider) в огромен тунел с диаметър 3 м, обиколка 27 км и заровен на 50 до 175 м под земята.
Колайдерът е съставен от две успоредни тръби между свръхпроводими магнити, охлаждани от течен хелий. В тях ще се пускат два лъча от протони, които ще обикалят в противоположни посоки и ще пресичат траекториите си в четири точки по 27-километровото трасе. Всеки протонен лъч ще има енергия от 7 TeV, като общата енергия на сблъсъка ще е 14 TeV.
TeV (тераелектронволт) е единица за енергия, използвана във физиката на елементарните частици. 1 TeV е приблизително равен на кинетичната енергия на летящ комар. Това, което прави Големия адронов колайдер специален е способността му да концентрира енергия в зона, милиони милиони пъти по-малка от комар.
Преди да бъдат пуснати в главния ускорител протоните ще бъдат ускорявани на етапи в линейни и по-малки кръгови ускорители. Освен протони, в LHC ще се изследват и тежки йони. Предвидени са шест подземни детектори: ATLAS, CMS, LHCb, ALICE, TOTEM и LHCf, като първите два са най-големите и са с общо предназначение. Докато работи ускорителят, общата енергия в магнитите ще достига 10 GJ (еквивалентни на 2.5 тона тротил).
Част от въпросите, на които 7000 учени от цял свят се надяват да получат отговори след експериментите в Големия адронов колайдер са:
Дали Стандартният модел нарушава механизма на Хигс за образуване на масите на елементарните частици? Ако не, колко са Хигс бозоните и каква е масата им?
Ще бъде ли по-точното измерване на масите на барионите напълно съвместимо със Стандартния модел?
Имат ли елементарните частици суперсиметрични партньори?
Защо има очевидно нарушаване на симетрията между материя и антиматерия?
Съществуват ли допълнителни измерения (както предсказва теорията на струните) и можем ли да ги "видим"?
Защо гравитацията е с много порядъци по-слабо взаимодействие от останалите три?
Въпреки че отговорите на тези въпроси биха били безценни, новият ускорител на ЦЕРН си има цена, която не е никак малка. Първоначално приетата през 1995 г. стойност на проекта е била 1700 млн. евро плюс 140 млн. евро за експериментите, но през 2001 г. е направено преизчисляване и цената се е вдигнала с 300 млн. евро за ускорителя и 30 млн. евро за експериментите, което общо прави колосалните 2.17 млрд. евро. По време на строителството са изниквали множество проблеми пред инженерите и всичко това доведе до преместване на крайния срок от 2005 към април 2007, а на 22 юни ЦЕРН обяви нов срок: май 2008 г.
Съществуват известни притеснения относно безопасността на Големия адронов колайдер. Според някои хора експериментите в него могат да предизвикат няколко теоретични катастрофи, способни да унищожат Земята или дори Вселената! Например:
Според проучвания на ЦЕРН няма опасност от подобни инциденти. Учените очакват получените мини черни дупки да се изпаряват почти мигновенно заради лъчението на Хокинг, въпреки че то не е доказано.
Когато човечеството е на прага на нови открития и навлиза в неизвестни територии няма кой да гарантира, че всичко ще мине безпроблемно. Риск винаги е имало и винаги ще има.
Струните в теорията на струните могат да бъдат изследвани само теоретично с математически модели. Физиците ги "дърпат" и установяват каква е тяхната коравина и чрез подобни изчисления е доказано, че струната, отговаряща на гравитона, при трептенето си има мега-колосално напрежение със стойност 10^39 тона (т. нар. планково напрежение). Изводът е, че фундаменталните струни са изключително корави!
От този факт произлизат няколко заключения:
1. Размерите на струната трябва да са много малки от порядъка на планковата дължина
2. Енергията на струната трябва да е много висока колкото по-корава е тя, толкова повече енергия е нужна да се разтрепти
Енергията на струната зависи от две неща:
начина на трептене (по-буйно трептене значи по-висока енергия)
напрежението на струната (по-напрегната струна значи повече енергия)
Съгласно квантовата механика всяка струна има дискретна стойност на енергията (някакво цяло число по някаква минимална енергия). Тази минимална енергия е пропорционална на напрежението и на броя върхове и падове на трептенето, а цялото число е пропорционално на амплитудата на трептенето.
След като мин. енергия е пропорционална на напрежението, а то е огромно, то тя също е огромна (за мащабите на елементарните частици). От тази планкова енергия и формулата на Айнщайн E = mc² се получава каква маса съответства на струната — планкова маса (10^19 пъти по-голяма от тази на протона). Възниква въпрос:
Ако "естествената" енергийна скáла е 10 милиарда милиарда пъти по-голяма от тази на протона, как е възможно да има значително по-леки частици като електрони, фотони, кварки?
Решението на този привиден парадокс се крие пак в квантовата механика. От принципа на неопределеността знаем, че нищо никога не е в пълен покой, включително струните. През 70-те години на миналия век е доказано, че трептенията могат взаимно да се неутрализират. Енергията на струните се оказва намалена, което отговаря на действителността. За някои частици неутрализирането е пълно, което води до нулева маса (неутриното). Леките частици обаче са по-скоро изключения. Много по-типични са тежките частици (високо-енергийните трептения).
3. Струните могат да трептят по безкраен брой начини "видовете" частици трябва да са безкраен брой
За да бъде доказано това е нужен ускорител на частици милиарди пъти по-мощен от сегашните. Има и друг начин обаче. При раждането на вселената енергиите са били достатъчно високи, за да се образуват много тежки частици. Животът им е много кратък и те бързо се разпадат на по-леки, но не е изключено някъде из дълбините на космоса все още да има останали тежки частици. Тяхното евентуално откритие ще е монументално събитие в света на физиката.
В Теорията на струните частиците не се разглеждат като точки, а като микроскопични струни — едномерни нишки, трептящи с различни честоти. Големината на тези струни е от порядъка на планковата дължина, което значи, че те не могат да бъдат наблюдавани със съвременни уреди и методи.
Както струна на една цигулка може да трепти по безброй начини и на това разнообразие да се дължат различните ноти, така всяка струна трепти по различни начини и това води до различни маси и заряди на частиците.
Свойствата на дадена частица се определят от резонансното трептене на съответната й струна.
Енергията на една струна зависи от начина на трептене:
малка амплитуда и голяма дължина на вълната — трептенето ще има по-малка енергия;
голяма амплитуда и малка дължина на вълната — трептенето ще има по-голяма енергия.
От E = mc² следва, че колкото по-голяма енергия притежава трептящата струна, толкова по-голяма маса ще има частицата. Установено е, че електрическият, слабият и силният заряд на частиците зависят също от характеристиките на трептенето. Същото важи и за частиците - вестоносци (взаимодействията) — фотони, междинни векторни бозони, глуони и гравитони (които засега съществуват само теоретично и не са открити експериментално).
"За читателя със склонност към математиката отбелязваме, че връзката между формите на трептение на струната и силовите заряди може да бъде описана по-точно по следния начин. Когато движението на струната се квантува, нейните възможни трептения се представят като вектори в хилбертово пространство, както за всяка квантовомеханична система. Тези вектори могат да бъдат обозначени с техните собствени стойности в множество от комутиращи хермитови оператори. Сред тези оператори са хамилтонианът, чиито собствени стойности дават енергията и оттам масата на трептенето, както и оператори, генериращи различни калибровъчни симетрии, които теорията спазва. Техните собствени стойности дават силовите заряди, носени от съответното трептене." — от "Елегантната вселена" на Брайън Грийн, изд. "Изток-Запад", 2004 г., стр. 486 (бележка №7)
Важен резултат от теорията на струните е фактът, че допреди нея всяка различна частица се считала за различен вид материя. Теорията на струните твърди, че всички частици (и взаимодействия) са от една и съща "материя" — струни, които трептят различно.
Като повечето теории, и квантовата възниква, за да реши един проблем. Според електро - магнитната теория на Максуел и класическата физика излиза, че енергията в абсолютно черно тяло (тяло, което поглъща всяка дължина на вълната и излъчва само топлина) е безкрайно голяма, защото в него има вълни с всякакви дължини на вълните — от една максимална до безкрайно малки дължини. В реалния свят не е така.
Макс Планк предлага предпоставката, че енергията в електромагнитните вълни е на порции. Дробни части няма. Минималната енергия на всяка вълна зависи от честотата й:
висока честота — висока минимална енергия;
ниска честота — ниска минимална енергия.
Планк предполага, че има коефициент на пропорционалност между честота и енергия и това е константата на Планк — h.
ε = hν
Този коефициент е страшно малък, т. е. порциите енергия са страшно малки. С това горният проблем е решен, защото на практика хипотезата на Планк въвежда долна граница, под която дължината на вълната в черното тяло не може да падне и така енергията става крайно число.
Използвайки идеята за порциите, Айнщайн прави предположение през 1905 г., свързано с фотоефекта. Фотоефектът е явление, при което ако метал бъде облъчен със светлина, то от него биват избивани електрони. Установени са следните зависимости:
колкото по-ярък е източникът на светлина, толкова повече електрони се избиват от метала, но енергията им остава постоянна независимо от цвета на светлината;
колкото по-висока честота има източникът, толкова повече енергия имат избитите електрони, но броят им остава постоянен независимо от яркостта.
Тези факти могат да се обяснят с корпускулярен модел на светлината. Тя съществува на порции — кванти — наречени фотони.
Друго характерно явление, което учените са наблюдавали, е какво се получава ако насочим лъч светлина към два тънки процепа. Резултатът е интерференчна картина. Но дори да пускаме светлината фотон по фотон, с времето (като се натрупат достатъчно фотони) отново изниква същата интерференчна картина. Това е доказателтво, че светлината е вълна.
Абсолютно същите неща важат и за електроните, и за всички други частици.
И материята, и взаимодействията — всичко има двойнствен характер!
По-нататъшни развития: Макс Планк предлага модел на вълнова функция (показва къде е най-вероятно да се намира дадена частица), а Шрьодингер го облича в математическо уравнение. В крайна сметка никой не знае как частиците "избират" да са някъде вместо другаде. Друго, алтернативно обяснение е това на Файнман: всеки електрон минава през двата процепа. Всъщност, всеки електрон минава през всички възможни траектории преди да достигне крайната си точка.
Принцип на неопределеността:Можем да знаем или местоположението, или скоростта на една частица, но не и двете.
За да знаем местоположението на една частица ние трябва да я засечем, но направим ли го, ние и влияем и променяме скоростта й. Същият принцип важи и при енергиите на частиците: Колкото по-малък период от време разглеждаме, толкова по-големи колебания в пълната енергия на частицата се наблюдават. Теоретично е възможно квантово тунелиране. Квантова теория на полето
Квантова електродинамика: полето е съставено от силови линии от фотони (частици - вестоносци), а енергията постоянно преминава в маса и обратно (за много кратки периоди от време);
Квантова хромодинамика: силното взаимодействие се представя като взаимодействие чрез частици глуони;
Квантова теория на електрослабото взаимодействие: оказва се, че при много високи температури и налягане слабото и ел. магнитното взаимодействия са едно и също нещо и по естествен път се обединяват в електрослабо взаимодействие. Тук частиците-вестоносци са W- и Z-бозоните.
Чрез всички тези частици: фотони, глуони и междинни векторни бозони, се обясняват съответните им взаимодействия, като те работят аналогично в квантовата механика. Само гравитационното взаимодействие не може да намери място тук.
Още нещо общо между гравитацията и другите взаимодействия е симетрията. От ОТО знаем, че съществува симетрия в гледните точки на независими наблюдатели — всеки може да приеме, че е неподвижен, а вселената се движи спрямо него, както и да приеме, че се движи ускорително, а гравитация няма. По същия начин има симетрия и в силното взаимодействие, наречена калибровъчна симетрия. Именно тези симетрии "налагат" съществуването на сили, които да държат системата "в равновесие и стабилност" при промяна на гледните точки. Благодарение на симетриите вселената съществува, законите й работят, и тя е такава, каквато я виждаме около нас. Симетрии има и в слабото, и в електромагнитното взаимодействия, но са по-трудни за представяне.
Квантовата механика се сблъсква с теорията на относителността по такъв начин, че се отричат взаимно. Според ТО следва, че ако няма маса, пространство-времето е гладко. Според КМ ако започнем да увеличаваме част от това празно пространство до мащабите на планковата дължина, тогава се проявяват флуктуации в пространство-времето, които не би трябвало да ги има. Те са причинени от неопределимостта, от това, че колкото по-малък период от пространство-време разглеждаме, толкова по-рязко се сменя големината на енергията и кривината на пространството. Привидно гладкото пространство-време представлява квантова пяна, която се забелязва само ако погледнем с най-голямото възможно увеличение.
Планкова дължина: 1.616 ×10-³³ cm. Това е размерът, при който квантовите флуктуации стават огромни.
В природата съществува материя, която си взаимодейства по милиони различни начини. Физиците са успяли да сведат материята и взаимодействията до няколко основни вида, с които се обясняват всички останали. И материята, и взаимодействията се представят като квантови обекти, които имат дуална природа — хем са частици с маса, хем са вълни — фундаментални частици, за които не е известно да са съставени от други частици.
Материя
Материята е изградена от частици, които се свеждат до елементарни частици — фермиони. Фермионите се делят на кварки и лептони.
Кварките са шест:
горен (up),
долен (down),
очарован (charm),
странен (strange),
b-кварк (bottom) и
t-кварк (top).
Лептоните са също шест:
електрон,
мюон,
таон,
електронно неутрино,
мюонно неутрино и
таонно неутрино.
Гореизброените частици образуват три семейства и всичко, познато ни в природата, е комбинация от тези частици (или античастиците им).
Взаимодействия
Взаимодействията са четири и характеризират всички възможни сили, които крепят Вселената. За всяко взаимодействие се смята, че отговаря частица — бозон.
гравитационно взаимодействие: отговаря за взаимното привличане, а предполагаемата (неоткрита все още) частица се нарича гравитон,
електромагнитно взаимодействие: отговаря за електромагнитните сили, частицата му е фотон,
силно взаимодействие: отговаря за привличането между кварките и между протони и неутрони в ядрата на атомите, частицата му е глуон,
слабо взаимодействие: отговаря за радиоактивния разпад, частиците му са междинни векторни бозони.
Има и други бозони, някои от които не са елементарни частици, а други играят важна роля в Стандартния модел (теория, обединяваща три от четирите взаимодействия между елементарните частици) — като Higgs бозона, който теоретично е предсказан и физиците се надяват да бъде засечен с новия LHC ускорител на CERN.
В началото на миналия век физикът Волфганг Паули си измислил частица, с която да изравни уравненията си. Тя била малка елементарна частица без заряд и маса. Това, което правила е да пренася енергия със скоростта на светлината. Проблемът бил, че дори да съществувала, откриването й щяло да бъде много сложно. Въпреки че частицата на Паули била просто измислена, хората я взели насериозно и я включили в новите теории на елементарните частици. Енрико Ферми я нарекъл неутрино (малък неутрон на италиански). След това кръщене неутриното било прието и търсенето му започнало. След повече от 20 години била засечена частица със същите свойства и неутриното било обявено за реално съществуващо.
Огромен брой неутрино били създадени в Големия взрив. Но те все още се раждат в най-горещите и енергични части на Вселената — свръхнови, избухвания на гама-лъчи, квазари и дори в звезди като нашето Слънце. Докато прочетеш това изречение приблизително 10 милиона неутрино от Слънцето ще са преминали през тялото ти. Когато свършиш с този абзац същите неутрино вече ще са по-далеч от Луната.
Какво е значението им за тъмната материя — липсващата маса на Вселената? Неутриното може да се смята за липсващо, защото то много трудно може да се засече, понеже почти не взаимодейства с обикновената материя. Но ако няма маса как така допринася за тъмната материя?
Мистерията за тъмната материя била открита по същото време, когато било измислено и неутриното и понеже то няма маса, било бързо зачеркнато от списъка с потенциални кандидати. Но през 1998 г. в една японска цинкова мина било направено разтърсващо откритие, което опровергало всички твърдения досега. Учените от проекта "Super-Kamiokande" обявили, че са намерили определен вид неутрино, което имало маса, макар и много малка. Това автоматично върнало тази частица в състезанието за тъмната материя.
Частиците неутрино са известни като "гореща тъмна материя", понеже се движат със скоростта на светлината. Те са в изобилие, но поради малката им маса се предполага, че отговарят за не повече от 25% от липсващата маса.
Защо физиците гледат под земята, когато търсят липсващата маса във Вселената — тъмната материя?
Те търсят WIMP частици (Weakly Interacting Massive Particles). Това са вид екзотични частици — кандидати за липсващата тъмна материя във Вселената. Под "екзотични" се разбира различни от обикновените, които изграждат света около нас. WIMP частиците не са били откривани никога, но според физиците може купища от тях да минават незабелязани през нас.
Ако толкова много от тях летят наоколо, как така не сме ги усетили? Всъщност, нищо че са наречени "слаби" (weak), те са удивително силни и могат да минават през твърди тела без въобще да спират. Освен това те не са единствените неща, които ни бомбардират от космоса — има и космически лъчи. Поради тези две причини е изключително трудно да бъдат засечени.
Това, което прави WIMP частиците специални е способността им да минават през твърди тела. Един от най-добрите начини да ги открием е да слезем дълбоко под земята (над 1000 м надолу, в едни от най-дълбоките мини). Плътните скали около мините действат като естествен филтър, в който частиците от космическите лъчи се сблъскват в атомите на скалите и се спират. WIMP частиците от друга страна би трябвало да минат спокойно и да бъдат засечени в галериите дълбоко под скалите.
Екипи от цял свят се състезават да открият дали такива мистериозни частици наистина съществуват. Ако отговорът е да, те ще дадат едно ново парче от пъзела на тъмната материя. Предполага се, че те може да са отговорни за до 90% от тъмната материя във Вселената.
Ако превърнеш 1 кг ябълки в чиста енергия, ще можеш да караш колата си около 100 хиляди години без спиране. Защо?
През 1905 г. Алберт Айнщайн публикувал знаменитото уравнение E = mc². То ни казва, че масата е страшно много концентрирана форма на енергия. Енергията в природата е като парите. Има два вида парични единици, свързани с огромен курс — квадратът на скоростта на светлината. Един килограм отговаря на 25 милиарда квч.
Как енергията може да се трансформира в маса и обратно?
Възможно е, ползвайки ускорител като LHC на CERN, една частица да бъде ускорена до скорост почти колкото тази на светлината. Ако частица с такава скорост се удари в плътна стена, това ще генерира температури от порядъка на 10 000 милиарда °С. При тези екстремни условия освободената енергия се превръща в материя. Подобно на монетен двор, където се правят монети по стандарт, така и природата позволява на енергията да се превръща в точно определен вид материя, с определени свойства. Формите на материя са аналогични на частиците, от които най-значими в ежедневието ни са протоните, електроните и неутроните. Тяхните свойства като маса, заряд, начин на взаимодействие с други частици са точно дефинирани.
Представи си горещ метален лист в монетен двор и нека той е нашият аналог на енергията. Когато от него щамповат монети се получават две неща: монетите и дупките в листа. Тези дупки можем да наречем "антимонети". По подобен начин енергията се превръща в материя. Много опити са показали, че е възможно едновременно да се създадат само двойка частица и нейната античастица. Никой до сега не е наблюдавал сътворението само на частици или само на античастици. Този експеримент илюстрира още един факт: За създаването на частица и античастица се изисква енергия, а съберем ли ги отново заедно (анихилация) двете огледални частици изчезват и остава само чиста енергия. Това е все едно да вкараме изсечените монети обратно в дупките на металния лист и той да бъде отново цял.
Само секунда след раждането на Вселената тя била наводнена от частици и през следващите 300 милиона години звездите и галактиките започнали да се оформят във вида, познат ни днес. Но има един голям проблем! Не би трябвало да ни има. Хората, планетите, звездите, галактиките — всичко това би трябвало да е нереален сън. На теория нищо не трябва да съществува.
Според физиката, Големият взрив трябва да е създал по равни количества материя и антиматерия. Антиматерията е "огледалният образ" на материята — има същата маса, но противоположен заряд. Заради различията си, когато тези първични врагове се срещнат, те се унищожават напълно, от което се получава ослепителна светлина. Още в самото начало би следвало материята и антиматерията да са се анихилирали и да не са оставили нищо друго, освен хало от остатъчна светлина.
Ние никога не сме намирали достатъчно големи количества антиматерия във Вселената. Не е изключено да има антизвезди и антигалактики изградени изцяло от антиматерия, но които са стабилни, защото никога не са влизали в контакт с материята. Всъщност ако някога открием извънземни преди да се срещнем ще трябва да проверим дали не са от антиматерия, иначе ще стане лошо и за нас, и за тях.
Изглежда очевидно, че във Вселената има повече материя, отколкото антиматерия. Материя има навсякъде около нас, но антиматерия почти не сме виждали. Как се е получил този дисбаланс, след като и двата вида частици са били по равно? Никой не знае със сигурност. Физиците, специалисти по елементарните частици смятат, че излишъкът от материя е останал, защото античастиците не са съвсем точно противоположни на нормалните частици. За пръв път това откритие е било направено през 60-те години на ХХ век от Джеймс Кронин и Вал Фич, които спечелили Нобелова награда за работата им по т. нар. елементарни частици каони.
Физиците мислят, че каоните имат по-дълъг живот от антикаоните, но все още не са сигурни дали това е достатъчна причина материята да тържествува. За да изследват тези загадки физиците създават антиматерия като сблъскват частици в огромни лаборатории, наречени ускорители на частици. Те могат да пресъздадат състоянието на ранната Вселена и като изследват тези древни битки се надяват да разбулят мистерията на нашето оцеляване.
Самото списание не е нещо особено, но има интересни статии от физиката на елементарните частици и други аспекти на тази забележителна наука. Та който иска, може да се абонира на тази страница (или да го чете онлайн, разбира се).
