mem it

Сотрудники коллаборации XENON установили ограничения на возможные параметры лёгких частиц тёмной материи (ТМ).

Авторы большинства экспериментов, направленных на прямое обнаружение ТМ, пытаются выделить сигнал от вимпов — слабовзаимодействующих массивных (1–1 000 ГэВ) частиц. Вимпы с такими массами без проблем встраиваются в теорию (их реликтовая распространённость, скажем, естественным образом совпадает с той, которая требуется для тёмной материи), а их рассеяние на ядрах должно давать вполне заметный эффект.

К сожалению, результаты опытов оказываются неубедительными, а иногда и вовсе отрицательными. Это стимулирует разработку новых моделей ТМ, образованной более лёгкими частицами с массой менее одного гигаэлектронвольта. Как недавно показали теоретики, эти лёгкие частицы могут регистрироваться детектором при рассеянии не на ядрах, а на электронах: рассеяние вызовет ионизацию и возбуждение атомов мишени, что, в свою очередь, приведёт к появлению одноэлектронных импульсов. Если исходные ионизационные электроны или фотоны, испускаемые при снятии возбуждения, будут участвовать в дальнейшей ионизации, появятся и сигналы от нескольких электронов.

Фотоэлектронные умножители установки XENON10 (фото XENON Collaboration).

В проекте XENON роль мишени играет, как нетрудно догадаться, жидкий ксенон. Гипотетические взаимодействия частиц ТМ в объёме детектора ведут к образованию ионов Xe+, возбуждённых атомов Xe* и электронов. Часть последних избегает рекомбинации и уносится от места взаимодействия электрическим полем, попадая в расположенный рядом газообразный ксенон, где создаёт сцинтилляционные фотоны, которые затем обнаруживаются массивом фотоэлектронных умножителей. Для подавления фона экспериментаторы используют пассивную защиту из высокочистой меди, полиэтилена, свинца и воды; кроме того, вся установка, размещённая в подземной итальянской Национальной лаборатории Гран-Сассо, защищена мощным слоем горных пород.

Первый, проверочный этап проекта, названный XENON10, уже завершился. Сейчас масса жидкого ксенона, задействованного в измерениях, существенно увеличена, а эксперимент переименован в XENON100.

Вообще говоря, XENON10 и XENON100 изначально тоже ориентировались на рассеяние тяжёлых вимпов на ядрах. Не обнаружив следов этого процесса, учёные вспомнили о том, что детектор позволяет выделять одно-, двух- и трёхэлектронные события, свидетельствующие о рассеянии на электронах, и задумались об использовании полученной информации для поиска более лёгких частиц.

В своей новой работе участники XENON тщательно смоделировали процесс взаимодействия лёгких частиц ТМ с веществом мишени и оценили вероятность их обнаружения. Сравнив результаты расчётов с довольно старыми опытными данными XENON10, собранными в 2006-м, они выяснили, что сечение рассеяния на электронах для частиц с массой от 20 МэВ до 1 ГэВ не должно (на уровне доверительной вероятности в 90%) превышать 10–37 см². Самые строгие ограничения установлены для массы в 100 МэВ, где сечение не должно превосходить 3•10–38 см².

В скором времени эти первые экспериментальные оценки сечения взаимодействия, разумеется, будут снижены: остаётся лишь дождаться обработки данных XENON100, CDMS и LUX — экспериментов с более крупными мишенями.

Подготовлено по материалам arXiv.

Физики-теоретики Зураб Бережиани и Фабрицио Нести из Университета Л'Акуила (Италия) полагают, что в некоторых условиях нейтроны становятся зеркальными нейтронами. По их мнению, проведённые ранее эксперименты уже подтвердили такую теорию. И если она верна, то проблема скрытой массы может иметь весьма нетривиальное решение.

Исследование основывается на анализе данных эксперимента Анатолия Сереброва изПетербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова и Института Лауэ-Ланжевена(Франция). Учёный измерил время жизни ультрахолодных нейтронов, находящихся в охлаждённой нейтронной ловушке (способной содержать одновременно до полумиллиона нейтронов), а также зафиксировал факт потери нейтронов (до 1%) в силу неясных причин. Внимательно изучив скорость потери нейтронов в указанном опыте, Бережиани и Нести пришли к выводу, что среднеквадратическое отклонение скорости их потери ловушкой в 5,2 раза (5,2σ) превосходит нулевое, при котором для объяснения потери нейтронов применялся бы только их распад и утечка через стенки. При этом скорость их потери ловушкой неожиданно резко менялась в зависимости от полярности и силы прикладываемого магнитного поля (ловушка изолировалась от естественного магнитного поля Земли, но на неё преднамеренно воздействовали искусственным). Явление не может быть объяснено «обычной» физикой (как, кстати, и массовое появление нейтронов из ниоткуда во время удара молнии).

Куда же пропадают нейтроны и почему скорость их исчезновения зависела от магнитного поля?

В середине XX века было обнаружено, что при распаде нейтрона образуются электроны и, как мы теперь знаем, нейтрино исключительно с левым вращением, причём обнаружить нейтрино с «нормальным», правым вращением не удалось. Для объяснения этого была выдвинута гипотеза о существовании частиц с «правым вращением», являющихся для нас «зеркальными». Из таких частиц должно состоять так называемое зеркальное вещество. Согласно гипотезе о существовании зеркального вещества (зеркальной материи), для каждой из известных основных частиц, включая электрон, протон и фотон, есть свой зеркальный партнёр.

Нейтроны (жёлтые точки) сдерживаются в ловушке магнитным полем, генерируемым сверхпроводящими магнитами. Но вот слабое влияние магнитного поля зеркального вещества создатели ловушки учесть не могли. (Илл. P. R. Huffman et al. / Nature.)

Авторы работы полагают, что эксперимент с нейтронной ловушкой показывает нам существование зеркального нейтрона. Каждый нейтрон (n) в определённых условиях может переходить в зеркальный нейтрон (n') и затем обратно, колеблясь между двумя состояниями и двумя мирами. Согласно теории, вероятность такого перехода зависит от присутствия магнитного поля (удерживающего нейтроны в ловушке) — а значит, её можно зафиксировать экспериментально. При приложении внешнего возмущающего магнитного поля к очень холодным и замедленным нейтронам они должны исчезать с повышенной скоростью. Исследователи рассчитали (на основе данных г-на Сереброва) время такого перехода и выяснили, что в течение буквально нескольких секунд (от 3 до 10) нейтрон может стать зеркальным, а затем вновь нормальным. Цифра неожиданная, ведь, согласно современным представлениям, стандартный распад нейтрона не может происходить быстрее чем за десяток минут.

По мнению исследователей, на Земле есть зеркальное магнитное поле от зеркальной материи, существующей в Солнечной системе параллельно с обычной, но почти не взаимодействующей с ней. Мощность этого зеркального магнитного поля учёные приравняли 0,09–0,12 Гс (в то время как показатель магнитной индукции «нормального» земного поля достигает 0,31–0,58 Гс). Оно порождено зеркальным веществом, скопившимся в зеркальном мире в результате существования гравитационного поля Земли, которое влияет даже на зеркальную материю. Разумеется, в опыте Анатолия Сереброва учитывалось лишь магнитное поле планеты. Влияние на эксперимент возмущающего магнитного поля зеркальной материи его устроителями не предполагалось, поэтому скорость потери нейтронов ловушкой и оказалась столь неожиданной.

Более того, если на месте нашей Солнечной системы в «зеркальном мире» присутствует облако газа, то экспериментально можно установить существование магнитного поля B' интенсивностью от 10 до 100 мГс, направленность которого будет меняться относительно направленности земного магнитного поля B с периодичностью земных суток, ведь Земля вращается, а гипотетический зеркальный газ — нет. Кроме того, между зеркальной и обычной материей возможно взаимодействие, пусть и не вполне прямое: оно происходит через процесс кинетического смешивания (фотон-зеркальный фотон илипион-зеркальный пион). Если благодаря такому взаимодействию Земля накопила достаточное количество зеркальной материи (благодаря слабости взаимодействия она может находиться в той же точке, что и обычное вещество нашей планеты), то направление магнитных полей B и B' не будет различаться, так как «зеркальная Земля» будет вращаться так же, как и обычная.

Таким образом, экспериментально можно понять, есть ли у Земли зеркальный аналог или же на её месте из зеркального вещества представлен только рассеянный газ.

Зеркальное вещество также называют «веществом Алисы». Похоже, в эксперименте г-на Сереброва нейтроны то ныряли в состояние зеркального нейтрона, то выныривали обратно, становясь нормальным веществом. (Илл. John Tenniel.)

Как пишут авторы работы, опубликованной в European Physical Journal, в случае подтверждения их выводов сторонними экспериментами они будут иметь глубочайшее влияние на физику, космологию и астрофизику.

Констатация чересчур скромная: если эти выводы будут приняты научным сообществом, взгляды на тёмную материю и даже кометы могут встать с ног на голову. Ведь тогда все текущие или запланированные эксперименты по выявлению тёмной материи должны дать нулевой результат, кроме DAMA/NaI, и то только потому, что там может быть выявлена зеркальная материя. Кроме того, если зеркальной материи много, то она должна сформировать зеркальные звёзды, галактики и даже планеты — и всё это должно поддаваться обнаружению при помощи гравитационного микролинзирования. Гравитационное взаимодействие между зеркальной и обычной материей должно тогда привести к образованию двойных звёздных систем, где одна звезда обычная, типа Солнца, а другая — зеркальная, невидимая для глаза. Вторую вполне реально обнаружить, используя периодическое проявление эффекта Доплера в спектре видимой обычной звезды. Напомним также, что такие эффекты астрономами будто бы уже наблюдались.

Ну и, наконец, зеркальное вещество может объяснить парадокс ГЗК и даже наблюдаемый, но необъяснённый решительный перевес вещества над антивеществом в видимой Вселенной.

Словом, намеченные на ближайшее будущее эксперименты по подтверждению или опровержению теории зеркального вещества в случае их успешного завершения существенно изменят ситуацию в теоретической физике в целом.

Подготовлено по материалам European Physical Journal.

Немецкие учёные определили в коре человеческого мозга две новые цитоархитектонические зоны.

Классическая разметка коры мозга по Бродману (рисунок Laura B. Dahl).

Специалисты из Исследовательского центра Юлих (Германия) сообщили об обнаружении в коре человеческого мозга двух новых полей Бродмана. Результаты своих изысканий учёные представили на ежегодной конференции OHBM (Organization for Human Brain Mapping), проходящей сейчас в Пекине (КНР).

Нейроны в разных участках коры мозга выглядят и упакованы по-своему, на что впервые обратил внимание Корбиниан Бродман. Он же первым опубликовал карты коры, размеченной в соответствии с особенностями клеточного строения. Сейчас насчитывают 52 поля по Бродману. Естественно, различия в строении предполагают различия в работе, и функции многих зон до сих пор окончательно не ясны.

Но, оказывается, даже клеточное строение коры мозга до сих пор может преподносить сюрпризы — хотя трудно представить себе какой-нибудь биологический объект, структура которого пользовалась бы бóльшим вниманием, нежели кора больших полушарий.

Новые поля находятся на самом переднем краю префронтальной зоны. В действительности этот участок был обозначен самим Бродманом под номером десять. Но десятое поле оказалось слишком большим, и впоследствии учёные всё чаще говорили о том, что эту зону надо дифференцировать более тщательно. Функциональные исследования показали, что половина десятого участка отвечает за рабочую (кратковременную) память, тогда как оставшаяся часть включается при обработке эмоций и социальных взаимодействиях.

Гистологический анализ подтвердил догадки о том, что десятый номер нужно разделить; новые зоны получили названия FP1 и FP2. В процессе работы несколько образцов мозга (точнее, десять) нарезались слоями в 20 мкм; их клеточное строение анализировалось под микроскопом. Эта кропотливая работа заняла несколько лет.

Удивителен сам факт того, что особенности клеточного строения мозга продолжают быть новостью даже в наше время — в эпоху, так сказать, победившей молекулярности. По словам авторов исследования, новые поля — вовсе не последние: по разным оценкам, таких полей не 50, а от 150 до 200, так что картографирование мозга ещё далеко от завершения.

Подготовлено по материалам Nature News.

"Когда я встаю со стула, со мной встают в 10 раз больше бактериальных клеток, чем человеческих", - говорит доктор Брюс Биррен. Он - один из сотен американских ученых, участвовавших в создании самой подробной карты микробов, которые живут внутри и снаружи нас.

Проект "Микробиом человека"( НажатьHuman Microbiome Project), запущенный в США в 2007 году, определил генетическую идентичность многих бактерий, вирусов и других микроорганизмов, которые живут в тесном контакте с нами.

Тем не менее, до недавнего времени мало что было известно о триллионах микроорганизмов, населяющих наше тело.Исследователи предупреждают, что речь идет не о вредных микробах, которых необходимо уничтожать, а о микроорганизмах, которые являются важной частью того, что делает нас людьми.

Представьте себе мир без инфекций: ВИЧ нет, малярии нет, туберкулёза нет, гриппа нет, и так далее вплоть до простуды. Это конечная цель всех исследований, связанных с поиском антивирусных лекарств и вакцин.

Международной команде учёных под руководством инженерно-исследовательского центра при Университете штата Колорадо удалось получить «невидимую радугу» – самую широкую из когда-либо сгенерированных полосу спектра с синхронизированным по фазе излучением.

Радуга в диапазоне от УФ света до рентгеновского излучения

Установка получилась достаточно компактной – она умещается на лабораторном столе. В её основе лежит метод генерации высоких гармоник, впервые описанный в конце 1980-х. Газ под высоким давлением облучается вспышками лазера ультракороткой продолжительности. Под действием лазера электроны вырываются из атомных оболочек и ускоряются. Область значений их квантовой волновой функции растягивается до диапазона в сотни атомарных диаметров. В результате наблюдается испускание «невидимой радуги» – непрерывного спектра когерентных лучей в диапазоне от ультрафиолетового света до рентгеновского излучения.

Такая «радуга» может служить образчиком современного искусства, однако её научная и практическая ценность куда выше. Полученный эффект имеет важное значение для дефектоскопии, микро- и нанотехнологий. Он открывает возможности для исследований в области кратчайших пространственных и временных масштабов. Метод позволит наблюдать за любым сверхбыстрым движением в наномире, кроме протекания ядерных реакций или фундаментальных взаимодействий частиц.

От получения источника когеретного излучения в рентгеновском диапазоне уже недалеко до следующего шага – создания гамма-лазера и разработки методик управляемого термоядерного синтеза.

Это комикс, главная мысль которого – восприятие мира с научной точки зрения.

Количество столкновений и плотность потока протонов в Большом адронном коллайдере доведены до уровня, при котором в ускорителе должен рождаться и распадаться на другие частицы один бозон Хиггса в час - если, конечно, он существует.

"С нынешней светимостью на Большом адронном коллайдере каждый час в детекторе CMS должен рождаться и распадаться на два фотона один бозон Хиггса", - цитирует РИА "Новости"сообщение официального микроблога эксперимента CMS - одного из четырех главных детекторов коллайдера.

Физики, работающие на Большом адронном коллайдере, получают знания о микромире, исследуя результаты столкновений разогнанных до околосветовых скоростей протонов. В столкновениях рождается и распадается множество частиц, чьи следы фиксируют специализированные детекторы, установленные в местах столкновения пучков.

Чем больше будет набрано данных о столкновениях - тем более редкие процессы могут "почувствовать" детекторы. Чтобы быстрее набрать статистику, ученые стараются поднять число столкновений, увеличивая плотность пучков, то есть светимость - число частиц, пролетающих через определенную площадь за секунду.

Если в конце июля 2011 года пиковая светимость ускорителя составлял 2 на 10 в 33-й степени протонов за секунду на квадратный сантиметр, то к настоящему моменту она увеличилась более чем в три раза - до 6,6 на 10 в 33-й степени протонов.

Интегральная или накопленная светимость, то есть количество столкновений за четыре месяца работы коллайдера в 2012 году превысило четыре обратных фемтобарна, что составляет 80% от интегральной светимости за весь 2011 год. Один фемтобарн примерно соответствует 80 триллионам столкновений, однако только часть из них можно зафиксировать.

Физики отмечают, что набранная на данный момент статистика уже позволяет рассчитывать на обнаружение бозона Хиггса.

В декабре 2011 года физики, работающие на детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере, объявили, что видят некоторое превышение сигнала над фоном в интервале от 116 до 130 гигаэлектронвольт.

Бозон Хиггса - последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц, так называемой Стандартной модели. Это гипотетическая частица отвечает за массы всех других элементарных частиц. Однако теория не позволяет точно установить массу бозона Хиггса. Ранее руководители экспериментов на коллайдере заявляли, что до конца года они смогут с большой долей уверенности сказать, что бозон Хиггса существует, либо же, наоборот, "закрыть" его.

Большой адронный коллайдер (БАК), созданный учеными из многих стран на площадке Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в пригороде Женевы - самый большой в истории ускоритель элементарных частиц. Он предназначен для получения принципиально новых данных о природе материи и фундаментальных физических законах. Стоимость его постройки превысила шесть миллиардов евро.

Химики из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) открыли новое свойство пламени, которое позволяет контролировать протекающие в нём реакции.

Впервые продемонстрировано, что особый тип химических превращений, называемый окислительно-восстановительной химией, может контролироваться с большой точностью в пламени на твёрдой поверхности. Открытие, о котором рассказывается в журнале Angewandte Chemie, имеет самые широкие последствия — к примеру, для обнаружения химикатов в воздухе или для дальнейшего понимания химии молний.


Атиф Элахи, один из авторов работы (фото University College London).

Как показало исследование, в зависимости от химического состава пламени учёные могут записать соответствующий неповторимый электрический отпечаток, являющийся следствием поведения особых химические веществ на проводящей поверхности, где электроны способны обмениваться при точно определённой разнице потенциалов. По словам руководителя работы Дарена Каруаны, пламя может быть смоделировано для того, чтобы помочь нам сконструировать эффективные горелки и двигатели внутреннего сгорания. А присутствие в пламени заряженных частиц (ионов и электронов) придаёт ему уникальные электрические свойства.

Рассматривая газообразную плазму пламени в качестве электролита, исследователи утверждают, что становится возможным контролировать окислительно-восстановительные реакции на границе раздела фаз между твёрдой подложкой и газом.

Британцы разработали электродную систему, которая использовалась для зондирования химического состава пламени. Добавляя к пламени химические вещества, им удавалось зафиксировать токовые сигналы при специфических величинах разности потенциалов, получая тем самым уникальный электрохимический отпечаток, называемый вольтаммограммой. Вольтаммограммы для трёх металлических оксидов — вольфрама, молибдена и ванадия — совершенно уникальны. Кроме того, было показано, что размер «токовой подписи» (интенсивность измеряемого тока, как в разбавленных растворах электролитов) зависит от количества оксида, внесённого в пламя. То, что хорошо известно и делается на рутинном базисе для жидкостей, только сейчас впервые было продемонстрировано для газовой фазы (с пламенем вместо растворителя).

В общем и целом британские химики показали, что существует значительная разница между реакциями на границе фаз «твёрдое — газ» и их эквивалентов в жидких растворах. Безрастворная электрохимия предоставляет доступ к огромному числу окислительно-восстановительных реакций, многие из которых неосуществимы в традиционных растворах.

Подготовлено по материалам Университетского колледжа Лондона.

Ученые обнаружили остатки, возможно, самой древней деревянной рыболовной снасти. Находке, обнаруженной в Балтийском море у берегов Швеции, по оценкам специалистов, около 9000 лет.
Сотрудники из университета Södertörn обнаружили на дне моря группу деревянных остатков того, что в далеком прошлом могло быть «ловушкой для рыбы». Если предположения ученых верны, то эта верша окажется самой древней находкой, касающейся рыболовства.
Остатки семи верш были обнаружены на глубине 5-12 метров в древней долине реки у берегов Швеции.
Оценка возраста была проведена пока только для одной из семи находок. И если эта оценка верна, то шведские верши были заброшены в реку примерно тогда же, когда люди каменного века только овладевали земледелием и основывали то, что впоследствии станет первыми городами.

Иссак Ньютон под цветущей яблоней на старой однофунтовой банкноте.

Фото Adrian Pingstone / Wikimedia Commons.