В современной физике при проведении экспериментов и наблюдении на человеческий глаз давно не полагаются. Большинство процессов, которые интересуют научную общественность сегодня, происходят либо во вселенских, либо в микроскопических масштабах, и в обоих случаях недоступны для человеческого восприятия. Поэтому особенно важным направлением сегодня является создание детекторов, которые способны были бы не только уловить происходящие процессы, но и представить их в доступном для человеческого восприятия виде.

Над этой задачей в разных вариантах постоянно работают многие учёные мира, стараясь обострить восприятие «электронных глаз». Среди них – совместная группа Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и Томского государственного университета под руководством Георгия Шелкова и Олега Толбанова.

Уже не первый год коллаборация занимается созданием полупроводникового пиксельного детектора для регистрации элементарных частиц. Исследователи успешно освоили в качестве материала детектора арсенид галлия – химическое соединение галлия и мышьяка. По сравнению с обычным кремнием, который используется в большинстве детекторов, этот материал в несколько раз лучше регистрирует гамма-кванты. А в медицинской аппаратуре, например, это означает в несколько раз меньшую дозу облучения, получаемую пациентом при обследовании.

Арсенид галлия давно и хорошо известен и широко применяется в радиоэлектронике при производстве высокочастотных радиодеталей, однако детекторы элементарных частиц на его основе долго не удавалось сделать. Томскому коллективу под руководством профессора О.П. Толбанова удалось модифицировать арсенид галлия и придать ему нужные свойства. Пока только ТГУ обладает уникальной технологией производства подобного материала.

Несколько лет назад учёным из Томска и Дубны в сотрудничестве с европейскими коллегами удалось сделать единичный детектор – квадратную пластинку со стороной 14 мм, на которой нанесены более 65 тысяч пикселей. Зазор между пикселями очень мал, что позволяет получать при помощи такого детектора практически непрерывное изображение.
...

Инженеры исследовательского подразделения компании IBM разработали архитектуру сверхпроводящего чипа для квантового компьютера, в котором решена проблема детекции внутренних ошибок. Масштабирование предложенной исследователями четырехкубитной схемы открывает возможности создания больших вычислительных систем. О разработке сообщает пресс-релиз на сайте IBM, а статья описывающая особенности функционирования чипа появилась в журнале Nature Communications.

Квантовые компьютеры — вычислительные системы, использующие вместо классических битов квантовые. Кубиты (от quantum bits, квантовые биты), в отличие от битов, могут находиться в суперпозиции двух состояний, это означает, что при измерении их состояния с некоторой известной вероятностью будет получено значение «0» или «1».

Сравнение сложности классического (фиолетовое) и квантового (черное) разложения на простые множители

В ряде вычислительных алгоритмов использование кубитов вместо битов позволяет значительно уменьшить сложность вычислений, классическим примером этого является алгоритм Шора. Он позволяет разложить натуральное число n на простые множители за время порядка полинома от lg (n), в отличие от классических алгоритмов, требующих времени порядка n1/3. Эти вычисления актуальны для взлома шифрования RSA, использующего в качестве ключа произведение двух больших простых чисел. Их произведение является открытой частью ключа, но разложить его на множители — задача непосильная обычному компьютеру за разумное время.

Главной проблемой квантовых вычислений являются ошибки, возникающие в квантовых системах под действием различных факторов. Существует два вида таких ошибок: bit-flip, или смена бита (вызывает смену «0» и «1» в кубите) и  phase flip — фазовый сбой, нарушающий суперпозицию состояний (изменяющий вероятность выпадения «0»). Ранее исследователи смогли создать устройство корректирующее смену бита на основе кубитов, расположенных в одну линию. Однако, по словам авторов работы, для обнаружения фазового сбоя необходимо, чтобы кубиты были размещены в двухмерном массиве. Это и удалось проделать инженерам IBM.

Четыре кубита проверяют свое состояние следующим образом: они разбиты на пары, одна пара проверяет другую, причем первый кубит из пары проверяет на наличие фазового сбоя, а второй — на смену бита. Эта проверка осуществляется не нарушая квантового состояния системы. Задача, которую осталось решить инженерами, состоит в корректировке найденных ошибок. По словам директора института квантовых вычислений Университета Ватерлоо, Рэймонда Лафламма, это может быть сделано лишь на большей по размерам сетке кубитов.

Физики из Университета Нью Йорка создали микроскопические частицы, которые при наличии в растворе нужного реагента способны самостоятельно плыть против течения жидкости. Описание технологии опубликовано в журнале Science Advances, кратко о работе можно прочитать на сайте Science.

Частицы представляют собой пластиковые сферы, внутрь которых погружены кристаллы оксида железа – гематита. Большая часть кристаллов закрыта пластиком, но одной своей стороной гематит контактирует с раствором. В роли топлива, которое позволяет частице активно двигаться, выступает перекись водорода, H2O2. Движение возникает за счет того, что разложение перекиси происходит только с одной стороны частицы. При этом вокруг нее возникает химический градиент, который провоцирует осмотический ток, толкающий частицу в ту сторону, куда «смотрит» гематит. В капилляре гематит всегда направляется вперед по течению, в результате чего у частицы и возникает положительный реотаксис – движение против течения.

В нескольких экспериментах ученые показали, что перекиси для активного движения частиц нужно около 3-5 процентов от объема раствора. В таких условиях частицы развивают скорость около 8 микрометров в секунду, причем она прямо пропорциональна скорости движения потока. Движением частиц легко управлять, включая либо выключая облучение их голубым светом.

Ранее ученые уже использовали реакцию разложения перекиси для создания активно движущихся микрочастиц. Например, недавно были продемонстрированы микроскопические цинковые цилиндры, которые в растворе перекиси начинают двигаются реактивно, оставляя за собой след из кислородных пузырей. Главным отличием новых частиц от таких «микроракет» является даже не иной механизм движения, а его направленность против потока в каппиляре. До сих пор искусственных частиц с положительным реотаксисом создать не удавалось, хотя само явление широко распространено в природе. Его демонстрируют многие бактерии – например те, что вызывают инфекцию мочеполовой системы. Авторы новой технологии полагают, что реотаксические микрочастицы можно будеть использовать для направленной доставки лекарств или в ходе ликвидации разливов нефти.

Недавно физики представили расчеты, согласно которым пространства с плоской метрикой (а это в том числе и наша Вселенная) могут быть голограммами. В своей работе авторы использовали идею AdS/CFT-соответствия (anti-de Sitter / conformal field theory correspondence) между конформной теорией поля и гравитацией. На частном примере такого соответствия ученые показали эквивалентность описания этих двух теорий. Так что же такое голографическая Вселенная и при чем тут черные дыры, дуальность и теория струн?

В основе этой работы лежит так называемый голографический принцип, утверждающий, что для математического описания какого-либо мира достаточно информации, которая содержится на его внешней границе: представление об объекте большей размерности в этом случае можно получить из «голограмм», имеющих меньшую размерность. Предложенный в 1993 году нидерландским физиком Герардом'т Хоофтом принцип применительно к теории струн (называемой также M-теорией или современной математической физикой) воплотился в идее AdS/CFT-соответствия, на которое в 1998 году указал американский физик-теоретик аргентинского происхождения Хуан Малдасена.

В этом соответствии описание гравитации в пятимерном пространстве анти-де Ситтера — пространстве отрицательной кривизны (то есть с геометрией Лобачевского) — при помощи теории суперструн оказывается эквивалентным некоторому пределу четырехмерной суперсимметричной теории Янга-Миллса, определенной на четырехмерной границе пятимерия. В несуперсимметричном случае четырехмерная теория Янга Миллса составляет основу Стандартной модели — теории наблюдаемых взаимодействий элементарных частиц. Теория же суперструн, базирующаяся на предположении существования на планковских масштабах гипотетических одномерных объектов — струн — описывает пятимерие. Приставка «супер» при этом означает наличие симметрии, в которой у каждой элементарной частицы имеется свой суперпартнер с противоположной квантовой статистикой.

Эквивалентность описания означает, что между наблюдаемыми теориями существует однозначная связь — дуальность. Математически это проявляется в наличии соотношения, позволяющего рассчитать параметры взаимодействий частиц (или струн) одной из теорий, если известны таковые для другой. При этом никакого другого способа это сделать для первой теории нет. Идею дуальности и голографический принцип иллюстрируют два примера, демонстрирующие удобство таких аналогий при описания явлений в масштабах от элементарных частиц до вселенной. Вероятно, такое удобство имеет фундаментальные основания и является одним из свойств природы.

Первый пример — дуальность описания черных дыр и конфайнмента кварков («невылетания» кварков — элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях — адронов). Опыты по рассеиванию на адронах других таких частиц показали, что они состоят из двух (мезоны) или трех (барионы — таких, как например, протоны и нейтроны) кварков, которые не могут находиться, в отличие от других элементарных частиц, в свободном состоянии.

Такая ненаблюдаемость кварка видна в компьютерных расчетах, однако теоретического обоснования пока не имеет. Математическое формулировка этой задачи известна как проблема «массовой щели» в калибровочных теориях, и это одна из семи задач тысячелетия, сформулированных институтом Клэя. К настоящему моменту только одну из сформулированных задач (гипотезу Анри Пуанкаре) удалось решить — это сделал более десяти лет назад российский математик Григорий Перельман.

При удалении друг от друга взаимодействие между кварками только усиливается, тогда как при приближении их друг к другу — слабеет. Это свойство, названное асимптотической свободой, предсказали американские физики-теоретики и лауреаты Нобелевской премии Фрэнк Вильчек, Дэвид Гросс и Дэвид Политцер. Теория струн предлагает эффектное описание этого явления с использованием аналогии между «невылетанием» частиц из-под горизонта событий черной дыры и удержанием кварков в адронах. Однако такое описание приводит к ненаблюдаемым эффектам и поэтому применяется лишь в качестве наглядного примера.

Другой пример — соотношение, согласно которому энтропия черной дыры пропорциональна квадрату площади ее горизонта событий — области пространства, откуда попавшее в черную дыру тело (исключая квантовые эффекты и возможное существование червоточин) выбраться никогда не сможет. Израильский физик Яков Бекенштейн показал это в 1972 году, исходя из физических соображений, а его выводы два года спустя уточнил англичанин Стивен Хокинг. Получается, что, зная информацию только о границе черной дыры (площадь горизонта событий), можно определить ее внутреннюю характеристику — энтропию, являющуюся мерой неупорядоченности внутреннего состояния системы.

Дуальности и голографический принцип, реализованные как AdS/CFT-соответствие, пока не нашли точного математического обоснования, а большинство моделей, с которыми работают физики-теоретики, относятся к специфическим пространствам и взаимодействиям. Однако остается надежда, что с течением времени гравитация и Стандартная модель физики частиц получат универсальное описание в реальных пространствах, и, скорее всего, это произойдет именно в теории струн.

Физики из Университета Регенсбурга и Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене обнаружили, что АСМ-изображения атомов меди и железа, адсорбированнх на медной поверхности, напоминают бублики. Это означает, что такие атомы слабее отталкивают «ощупывающий» зонд микроскопа в центре по сравнению с периферией. Такой результат можно назвать неожиданным, так как полученные похожим методом более ранние изображения имели форму обычных пиков. Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Science.

Для получения сканов в различных методах сканирующей зондовой микроскопии используется специальная игла. Она помещается над образцом и «ощупывает» его. Прибор фиксирует параметры взаимодействия зонда с образцом — это могут быть механическое отталкивание, как в атомно-силовой микроскопии, сила тока, протекающего между иглой и образцом — как в туннелирующей микроскопии, или магнитные взаимодействия. Чем меньше радиус закругления острия, тем качественнее получается изображение.

Авторы работы использовали иглу, на кончике которой была закреплена единичная молекула угарного газа — CO. Подобный подход ранее уже позволял получать сканы атомного разрешения органических молекул.

Полученные АСМ-изображения атомов, адсорбированных на медной подложке (E, G, I — атомы Cu, Cu и Fe на грани меди 111, 110 и 111 соответственно). F,H, J — рассчитанная плотность распределения зарядов в атомах, соответствующая гибридизованным электронным состояниямMatthias Emmrich et al./Sciencexpress, 2015

При исследовании атомов меди, расположенных на поверхности медной подложки, оказалось, что их профиль представляет собой не выпуклую полусферу, чего можно было бы ожидать, а имеет тороидальную форму. Ранее исследователи из Института Физики Твердого Тела РАН уже получали сканы субатомного разрешения родственным методом — сканирующей туннельной микроскопией. Однако полученные ими картины представляли собой наборы «бугорков», а не «бубликов».

Авторы нового исследования связывают необычность полученной формы атомов с тем, что на силы, отталкивающие зонд, оказывает сильное влияние симметрия орбиталей. Отличие атомно-силовых изображений от получаемых с помощью туннельной микроскопии связанно с различием в наблюдаемых явлениях. В методе последнем методе туннелирование электрона происходит из зоны Ферми, а микроскоп следит за силой туннельного тока, и строит изображения основываясь на ней. Атомно-силовая же микроскопия при таких разрешениях определяет силу отталкивания электронных оболочек атомов образца от атомов зонда.

Это не первый случай использования атомно-силовой микроскопии для визуализации субатомных структур. Ранее этим же методом уже удавалось получить изображения атомов кремния в кристалле.

Группа физиков во главе с Джозефом Дуайером (Joseph Dwyer) из Университета Нью-Гемпшира (США) выяснила, что внутри грозового облака встречаются «облачка» античастиц. Однако ни один известный на данный момент источник антиматерии не может быть признан ответственным за их появление, отмечают исследователи в своей статье, готовящейся к выходу в Journal of Plasma Physics. С ее кратким изложением можно ознакомиться на Nature News.

В августе 2009 года самолет Gulfstream V, оборудованный детектором частиц, из-за ошибки пилотов взлетел в грозовое облако. Присутствовавший на борту Дуайер позднее проанализировал записи детектора, и совместно с коллегами установил, что в момент пролета через облако было зафиксировано три всплеска гамма-излучения длительностью по 0,2 секунды с энергией 511 килоэлектронвольт. Такие всплески соответствуют реакции аннигиляции обычного электрона и его античастицы, позитрона. Также было зафиксировано гамма-изучение несколько меньших энергий, которое группа Дуайера приписала гамма-лучам, потерявшим часть своей энергии во время прохождения через атмосферу. Для объяснения этих наблюдений требовалось, чтобы самолет окружало облачко античастиц диаметром в 1-2 километра.

На данный момент неясно, какой именно источник мог породить позитронное облако таких размеров. Электроны грозовых разрядов могут быть ускорены до околосветовых скоростей и породить гамма-излучение высоких энергий, которое, при попадании в ядра атомов воздуха, способно генерировать электрон-позитронные пары. Однако это объяснение нельзя назвать удовлетворительным, поскольку гамма-лучи высоких энергий, способные породить такие пары, зарегистрированы не были.

Альтернативным источником античастиц могли бы стать космические лучи – элементарные частицы и ядра атомов, которые при столкновении с атомами верхних слоев атмосферы порождают короткоживущие потоки частиц высоких энергий. В том числе и фотоны гамма-излучения. Как отмечает Дуайер, благодаря этому в атмосфере все время идет «мелкая изморось» из позитронов. В теории могут существовать механизмы, собирающие позитроны со значительного участка атмосферы в одну точку, к самолету, случайно попавшему в грозовое облако. Однако такая миграция позитронов должна была породить другие, сопутствующие виды излучения, которые исследователями также не были зафиксированы.

В силу того, что авторам не удалось найти удовлетворительного кандидата в источники антиматерии, группа Дуайера решила опубликовать полученные материалы лишь после шести лет тщательной работы над ними. Несмотря на это, работа вызвала сдержанную реакцию коллег-физиков. «Это наблюдение – настоящая головоломка» – отмечает Майкл Бриггс (Michael Briggs), физик из Космического центра им. Маршалла NASA.

Данные группы Дуайера – «железное свидетельство» наличия позитронов, считает Джаспер Киркби (Jasper Kirkby), специалист по физике элементарных частиц, работающий на БАК. Тем не менее, продолжает он, «их интерпретация нуждается в уточнении» . В частности, он высказывает сомнение в столь большом размере облака античастиц. По его мнению вместо 1-2 километров оно занимало лишь пространство рядом с самолетом, или даже существовало только на корпусе летательного аппарата.

В таком случае, отмечает Александр Гуревич из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, крылья могли приобрести значительный заряд, порождающий сильные электрические поля. Оно, в свою очередь, способно генерировать электрон-позитронные пары. Правда, эффективность рождения таких пар экспоненциально падет при снижении напряженности поля, и чтобы предполагаемый эффект рождения пар был заметен, электрическое поле на крыльях должно было быть порядка 10 квадриллионов вольт на сантиметр. А это на семь порядков больше, чем напряженность поля на боровской орбите атома водорода. Иными словами, такое объяснение подразумевает возникновение на крыльях самолета действительно весьма значительного электрического поля, в лаборатории получаемого, например, во время коротких импульсов мощных фемтосекундных лазеров.

Чтобы проверить, каковы были истинные размеры облака античастиц и уточнить другие аспекты своего необычного наблюдения, Дуайер планирует провести ряд дополнительных наблюдений в центре грозовых облаков. Технически проблемой является то, что это небезопасное занятие: в 2009 году Gulfstream V едва не погиб в облаке. Предполагается попробовать запустить в центр облака либо метеозонд (воздушный шар с детектором), либо установить детектор частиц на бронированный противотанковый штурмовик A-10, способный, как считается, пережить полет внутри грозового облака.

Как точно подмечает Дуайер, внутренние области таких облаков могут нести значительное количество феноменов, на данный момент не вполне ясных физикам. Стоит напомнить, что ранее российские ученые при участии упомянутого Александр Гуревича уже во время грозы  обнаружили очень большое количество нейтронов малых энергий. Для образования последних по фотоядерному каналу (испускание нейтронов ядрами атомов, поглотивших гамма-квант) требовалось на три порядка больший поток гамма-излучения, чем удалось зафиксировать в ходе наблюдений.