Что интересного происходит в науке Голосов: 1 Адрес блога: http://igorivanov.blogspot.com/ Добавлен: 2008-05-17 13:57:21 блограйдером Lurk

Античастицы наступают

2011-01-30 23:12:00 (читать в оригинале)

Что-то тема античастиц не дает покоя :) Вот в комментариях к посту про позитроний меня спросили — а что будет, если антипротон попадет в вещество? И только я полез почитать про это, как ЖЖ-юзер antihydrogen (какой релевантный ник!) написал целый пост про чудеса, происходящие с антипротоном в жидком гелии.

А в обычном веществе, насколько я понимаю, ничего особенного с антипротонами произойти не успеет. Он сбросит свою начальную энергию, быстро (если верить antihydrogen-y — за время порядка пикосекунды) упадет на нижнюю орбиту какого-нибудь атома и там очень быстро проаннигилирует. Даже если оставить только чистую аннигиляцию в фотоны, то только за счет нее время до аннигиляции будет примерно в две тыщи раз меньше, чем время жизни позитрония. А с учетом того, что протон-антипротонной паре намного удобнее превратиться в мезоны за счет сильного взаимодействия, чем в фотоны за счет электромагнитного, время до аннигиляции уменьшится еще на несколько порядков. (Модельные оценки ширины протон-антипротонного состояния дают порядка 10 МэВ, т.е. время жизни около 10⁻²² сек).

Тем не менее, у антипротонов есть практические применения. Вот например статья 2003 года из журнала «Hyperfine interactions», которая так и называется Practical uses of antiprotons. Там обсуждается: аннигиляционный двигатель для дальнего космоса (это пока скорее фантастика) и более реальные примерения в медицине — новый способ генерировать на месте радиоизотопы для позитронно-эмиссионной томографии и антипротонная терапия раковых опухолей (это еще более точный и безопасный метод радиотерапии, чем протонная и конечно чем обычная терапия рентгеном). А вот в этом докладе между делом предлагается даже липосакция антипротонами! Интересно, будут ли добровольцы? :)

Для интересующихся — я на время закинул эту и еще одну статью про применения антипротонов в гуглодоки. А вот этот небольшой обзор по антипротонной радиотерапии находится в свободном доступе.

---

Многомерная таблица Менделеева

2011-01-28 04:50:00 (читать в оригинале)


Кстати, недавно было зарегистрированно и первое антигиперядро.

И снова про позитроний

Ну и возвращаясь к позитронию — а где же ему полагается находиться в таблице Менделеева или таблице изотопов? А черт его знает :) Лично мне кажется, что ни его, ни другие подобные состояния к ядрам или атомам относить неправомерно. Это просто связанные состояния элементарных частиц.

Update: с подачи antihydrogen узнал, что есть такая экзотическая штука, как антипротонный гелий — ядро гелия, вокруг которого крутится антипротон (ну и электрон для нейтральности). Непонятно даже, считать это атомом или молекулой.

---

Прокомментируйте, пожалуйста, эту новость

2011-01-26 01:19:00 (читать в оригинале)

Поскольку меня время от времени просят прокомментировать те или иные физические новости, кидая при этом ссылки на заметки в СМИ, я хочу сделать небольшое замечение. Да, конечно, я могу высказать своё мнение о тех или иных научных исследованиях, попавших в заголовки (разумеется, в рамках того, в чём я сам разбираюсь или смогу разобраться за короткое время). Но это будут комментарии именно о научной работе, а не о заметке в СМИ. Поэтому давайте договоримся так: просьбу о комментарии сопровождайте ссылкой на саму научную статью, а не на новость в общеновостном издании.

Мне кажется, этот уговор убъет сразу двух зайцев. Во-первых, мне не придется тратить время на объяснения того, что именно неправильно истолковано журналистами — очень часто эти новости пишутся совершенно безответственно, и разбор такого текста полезен лишь в редких случаях. Во-вторых, если вы прочитали о чем-то в СМИ и вам поставлена задача найти вначале ссылку на исходную научную статью, то в процессе поиска вы сами сможете заметить, что некоторые новости действительно опираются на интересные научные статьи, а некоторые высосаны из пальца или подкинуты «выбегаллами». Мне кажется, это будет полезным первым шагом на пути к лучшему пониманию новости, которая вас заинтересовала.

---

Бурная жизнь позитронов

2011-01-17 03:13:00 (читать в оригинале)

Когда в научно-популярных книжках или новостях пишут про антиматерию, то непременно говорят: как только антивещество коснется обычного вещества, тут же произойдет аннигиляция. Это конечно всё так, но только, как мне кажется, обычно чересчур сильно подчеркивается «мгновенность» этого процесса. Возникает впечатление, что если позитрон, летевший через вакуум, попадёт в какую-то твердую мишень, то тут же — как только коснется самого первого электрона мишени! — он и проаннигилирует.

А на самом деле это вовсе не так. Попав в вещество, позитрон может там прожить яркую и насыщенную нетривиальными событиями жизнь. Она вся, конечно, уместится в считанные десятки наносекунд, но для современной экспериментальной физики это огого какой длинный промежуток времени. И за последние пять лет физики сумели проследить за несколькими этапами этой бурной жизни позитрона.

среднеквадратичная тепловая скорость позитрония при комнатной температуре.

Во-вторых, позитроний, дрейфуя в веществе, может довольно быстро выйти на поверхность и залипнуть там — особенно, если мишенью является пористый кварц, с которым обычно проводят такие эксперименты. Это почти как адсорбция на поверхности для обычных атомов, только механизм слегка иной. Это интересный процесс, потому что с точки зрения энергии ему невыгодно ни отцепиться и улететь в вакуум, ни залезть обратно в вещество (хотя конечно за счет тепловых флуктуаций он всё же может улетучиться). В результате позитроний начинает просто блуждать по поверхности. А если поверхность — это маленькая пора нанометрового размера, то он оказывается пойманным в поре на достаточно длительное время.

Наличие вещества рядом, конечно, слегка (раза в два-три) сокращает жизнь орто-позитрония, но всё равно у него остаются в запасе десятки наносекунд. Если например в пористом кварце поры не изолированы, а объединены наноканалами в общую сеть, то «тепленький позитроний», ползая по поверхности, успеет обследовать с тысячу пор. А поскольку позитрониев в таких экспериментах образуется много и почти все они вылезают в поры, то рано или поздно они натыкаются друг на друга и начинают взаимодействовать. И среди прочего они могут образовывать настоящие связанные состояния — молекулярный позитроний, молекулы Ps₂.

И что дальше?

А дальше с позитронием, в атомарном или молекулярном виде, можно проводить интересные эксперименты. Во-первых, можно изучать спектроскопию возбужденных состояний позитрония. Буквально на днях было впервые измерено отличие в энергии первого возбужденного состояния (2P) свободного позитрония и позитрония в поре. Благодаря этим измерениям был вычислен диаметр пор в пористом кварце (в той работе он оказался равным примерно 5 нм). Получается, что с помощью спектроскопии можно удобно измерять размеры пор в таких образцах (скажем, измерять характерные размеры наноскопических разрушений при облучении материалов).

Но это такая, совсем прикладная вещь. А гораздо интереснее другая цель — создать бозе-конденсат из позитрониев. Для этого их надо накопить в поре в достаточном количестве, и они сами перейдут в состояние конденсата. Тут очень полезно, что позитроний очень легкий — он в тысячу раз легче атома водорода и в сотни тысяч легче атомов тяжелых элементов. Из-за этого квантовые эффекты в облачке из позитрониев выражены намного сильнее, чем в обычном веществе, и поэтому ожидается, что бозе-конденсация наступит при температурах намного выше, чем для обычных газов.

Это было бы здорово само по себе, но тут есть еще один поворот — из конденсата позитрониев можно сделать гамма-лазер. Один позитроний, проаннигилировав, породит фотоны, которые смогут «стимулировать» аннигиляцию в других позитрониях. В результате получится лавиообразное рождение гамма-квантов в одном и том же состоянии — т.е. сверхкороткая вспышка когерентного гамма-излучения. Это пока остается мечтой, но вроде бы вполне осуществимой. Если это будет реализовано, появится новый инструмент исследования сразу для нескольких областей прикладной физики.

Наконец, с точки зрения фундаментальной физики позитроний — исключительно «чистая» система. Там нет адронов с их сложной и непонятной структурой, а значит, свойства позитрония можно вычислять с высокой точностью и сравнивать их с данными. Есть даже предложения искать появления нарушения CP и CPT-симметрий и даже так называемой «зеркальной материи».

Последние пять лет

Для иллюстрации того, как движутся дела в этой области, вот небольшая выборка интересных результатов за последние пять лет.

• 2005: Experiments with a High-Density Positronium Gas, облучение пористого кварца высокоинтенсивными потоками поизтронов и первые косвенные намеки на образование молекулярного позитрония.
  
• 2006: Positron annihilation as a method to characterize porous materials, обзор про порозиметрию на основе аннигиляции позитронов.
  
• 2007: Physisorption of Positronium on Quartz Surfaces, теоретическая статья, успешно описавшая физисорбцию позитрония на кварце (заметка в Phys.Rev.Focus).
  
• 2007: The production of molecular positronium и Interactions Between Positronium Atoms in Porous Silica, взаимодействие между атомами позитрония с образованием молекулярного позитрония; см. популярную статью на «Элементах».
  
• 2010: Positronium Cooling and Emission in Vacuum from Nanochannels at Cryogenic Temperature, очень эффективное превращение потока позитронов в холодный газ позитрониев, которые охлаждались за счет ударов об стенки наноканалов и вылетели в вакуум.
  
• 2010: Structural and Phase Changes in Amorphous Solid Water Films Revealed by Positron Beam Spectroscopy, красивый пример прикладного использования позитронной спектроскопии: изучения того, как возникают и затягиваются нанопоры в тончайшем слое льда при осаждении пара на поверхность.
  
• 2010: Electron-Like Scattering of Positronium, неожиданное экспериментальное обнаружение того, что позитроний рассеивается на многих атомах так же, как и один-единственный электрон, движущийся с той же скоростью. И это несмотря на то, что позитроний нейтрален и имеет вдвое большую массу, чем электрон. Получается, что в этой ситуации рассеяние позитрона каким-то образом экранировано.
  
• 2011: Cavity Induced Shift and Narrowing of the Positronium Lyman-α Transition (и полу-популярная статья в журнале Physics), спектроскопические изменения позитрония в порах.
  

---

Капли на оконном стекле

2011-01-09 18:27:00 (читать в оригинале)

В ответ на один из комментов к задачке про отражения свечки я рассказал, что мне вообще нравится замечать какие-нибудь физические явления в повседневной жизни, их фотографировать, а потом, рассматривая снимки, подмечать там еще больше, чем вначале увидел глазом. Вот сегодня сфотал капельки, сконденсировавшиеся из пара на оконном стекле (по клику откроется большое фото):

В этот раз задачку не задаю, а предлагаю просто полюбоваться на разные стадии процесса роста капель при осаждении пара на холодную поверхность. Хотя если кто-то заметит тут что-то не совсем тривиальное, скажите.

небольшой обзор 1992 года, выкладываю на время pdf статьи; если кто знает обзор получше, скажите).
Обычно тут выделяют четыре стадии: (1) образование зародышей капли и их рост, (2) рост капелек через слияние, (3) образование новых центров роста капель на участках, освободившихся при слиянии крупных капель, (4) стекание капель воды.

Я не следил за ростом капель во времени, но зато на фото есть участки, на которых этот процесс протекает в разных стадиях (оконное стекло слева холоднее, чем справа, поэтому слева процесс начался раньше). А в одном месте ближе к левому краю отлично видна стадия 3, произошедшая дважды:


И еще интересно, что в задаче самосборки наночастиц тоже встречается похожая физика. Вот статья 2004 года в Nature, в которой конденсация капелек воды на субстрате (и последующее их испарение) способствовало образованию регулярной решетки микроскопических наночастиц CdSe. Так что когда в следующий раз будете дышать на холодное стекло, вспоминайте и про приложения этого простого процесса в современных технологиях :)