Квантовый шум: обзор новостей из мира элементарных частиц

Специалисты в области субатомной физики не унимаются: в последние полгода они расщепляли ядра, двигали зеркала квантовым шумом, ловили протоны и делали множество других интересных вещей. Мы подготовили очередной обзор новостей из мира элементарных частиц.

Частица X

Российские ученые получили новые данные о загадочной X(3872). Ее обнаружили в 2003 году в эксперименте Belle. «Как правило, уже через пару лет после открытия у специалистов появляется понимание, что представляет собой частица. X(3872) уникальна в том смысле, что на протяжении уже 17 лет у нас все еще нет представления о ее структуре, — ​говорит научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики Иван Беляев. — ​Нам были известны лишь необычные свойства: во‑первых, при большой массе X(3872) ее ширина очень мала, а во‑вторых, масса частицы совпадает с суммой масс двух других частиц: D-ноль-мезона и возбужденного D-ноль-мезона».

Внести ясность помогли специалисты Института ядерной физики им. Будкера СО РАН — ​участники коллаборации LHCb в ЦЕРНе. Эксперименты на детекторе КЕДР позволили получить точные значения ширины и массы X(3872), а также сделать некоторые предположения о ее природе. «Используя нетривиальный для области энергий эксперимента LHCb метод поиска полюсов комплексной амплитуды, ученые «пощупали» форму X(3872)», — ​рассказывает Иван Беляев. Форму описал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН Семен Эйдельман: это гибрид, в котором иногда проявляются молекулярные свойства, а иногда свойства кваркония (вид мезона, состоящий из кварка и антикварка одного и того же аромата).

Пошатнули фундамент

Ученые из Мичиганского университета обнаружили нарушение симметрии атомного ядра, сообщает журнал Heritage Daily. Они хотели понять, как во Вселенной образуются химические элементы, и имитировали вспышки нейтронных звезд на ускорителе. В ходе экспериментов получили короткоживущий стронций‑73 — ​редкий изотоп, который не встречается на Земле, но может существовать в течение коротких периодов во время сильных рентгеновских вспышек на поверхности нейтронных звезд. Этот изотоп содержит 38 протонов и 35 нейтронов.

Свойства полученного изотопа сопоставляли с известными свойствами брома‑73, содержащего 35 протонов и 38 нейтронов. Ядра брома‑73 считаются «зеркальными партнерами» ядер стронция‑73. Зеркальная симметрия в ядрах существует из-за сходства между протонами и нейтронами, и это одна из фундаментальных основ ядерной физики.

Но сюрпризом стало то, что при распаде стронций‑73 ведет себя совершенно иначе, чем бром‑73. «Стронций‑73 и бром‑73 должны быть идентичными по структуре, но, как это ни удивительно, мы идентичность не обнаружили, — ​сказал Эндрю Роджерс, участник исследовательской группы. — ​Выявление симметрий, существующих в природе, — очень мощный инструмент для физиков. Когда симметрия разрушается, это говорит о том, что что-то не так в нашем понимании и нужно присмотреться повнимательнее». Открытие ставит новые вопросы о силах, действующих в ядре атома.

Поставщик протонов

После двух лет модернизации и восстановительных работ Большой адронный коллайдер возвращается к своим обязанностям. Началом очередного этапа в жизни коллайдера стало включение на полную мощность линейного ускорителя частиц Linac‑4, нового поставщика протонов в кольцо БАКа.

В 2018 году Linac‑2, который подавал протоны в ускорительный комплекс ЦЕРНа с 1978 года, был окончательно выведен из эксплуатации. Его место занял 86-метровый Linac‑4. До середины августа этого года ускоритель вырабатывал только низкоэнергетические лучи, используя для разгона свою правую половину. В конце августа было первое включение ускорителя «на всю длину», с лучами максимальной мощности. На этапе тестирования лучи отправляются в ловушку, которая поглощает высокоэнергетические частицы, не производя потоков вторичного излучения. Циркулировать в кольце БАКа они начнут с сентября 2021 года.

Пришельцы из ниоткуда

В субатомном мире происходят странные с точки зрения макромира вещи: частицы могут «телепортироваться», обмениваться информацией, находясь на огромном расстоянии друг от друга, одна частица может быть в двух местах одновременно. Среди феноменов квантового царства есть флуктуации: даже в вакууме вдруг, откуда ни возьмись, могут появиться квантовые частицы, которые оставляют после себя квантовый шум. И как выяснили ученые Массачусетского технологического института, этот шум может двигать объекты видимого мира.

Экспериментаторы взяли 40-килограммовое зеркало и создали рядом с ним квантовые флуктуации. Зеркало сдвинулось на одну сикстиллионную долю метра. «Размер атома водорода составляет 10–10 м, и мы использовали его в качестве опорной величины для измерения смещения», — ​рассказал один из участников проекта, Ли Маккаллер. По мнению ученых, воздействие квантового мира на макромир происходит повсеместно. Может, это получится использовать?

Кандидаты в спиновые жидкости

Существование квантовых спиновых жидкостей было предсказано почти 40 лет назад, в 2012 году предположение подтвердилось экспериментально. В этом экзотическом состоянии вещество устойчиво к внешним возмущениям, что весьма перспективно для создания кубитов квантовых компьютеров. Поэтому физики очень хотят научиться синтезировать спиновые жидкости.

Расчеты ученых из Университета Арканзаса — ​важный шаг в этом направлении. За годы предыдущих исследований удалось подобрать лишь два материала, у которых достижимо состояние квантовой жидкости: RuCl3 и Na2IrO3. Американцы существенно расширили этот список. Они обратили внимание на материалы с более высокими квантовыми числами спинов. Моделирование показало, что при физическом воздействии для настройки магнитных состояний можно получить десятки вариантов спиновых жидкостей. Если расчеты подтвердят экспериментально, ждем революцию в квантовых вычислениях.