Higsa bozons
Viens no mūsdienu augsto enerģiju fizikas pamatjautājumiem ir jau 1964.gadā skotu fiziķa Pītera Higsa paredzētās eksotiskās kodoldaļiņas apstiprinājums vai noliegums. Tiek pieņemts, ka Higsa bozons ir spēlējis galveno lomu tajā norisē, kurā dažas daļiņas (kvarki, leptoni) Lielā Sprādziena laikā ir ieguvušas masu, bet citas (fotoni) palikušas bez masas.
Blakus laukiem, kas izraisa pamatmijiedarbību trijotni (elektromagnētiskā, stiprā, vājā), tiek paredzēts, ka Standartmodelī ir vēl viens skalārs (viena bezvirziena lieluma) lauks, neatdalāms no tukšas telpas un nesakrīt ar Higsa lauku (Higss savā laikā izvirzīja pieņēmumu, ka telpa starp daļiņām ir aizpildīta ar smagu stīgru substanci – pirmvielu). Tiek pieņemts, ka visas pamatdaļiņas masu iegūst mijiedarbībā ar šo visuresošo lauku (smagākās daļiņas stiprākā, vieglās – vājākā mijiedarbībā). Higsa laukam vajadzētu atbilst vismaz vienai daļiņai – starpniekam, tas ir, Higsa bozonam.
Stāvokļa dramatisms ir tajā, ka, apstiprinoties Higsa bozonam, aizpildīsies bezmaz vai rēgainā tukšā vieta Standartmodeļa pamatos un apstiprināsies mūsu Visuma izpratnes pareizums (līdz šim Standartmodelis kopumā nav apšaubīts, gluži otrādi, tas ir guvis vienu spožu apstiprinājumu pēc otra). Turpretim, ja tiks pierādīts, ka nekāda Higsa bozona nav, tas pavērs ceļu veselai alternatīvu teoriju virknei, kas jau sen ir gatavībā aizvietot Standartmodeli, – līdz pat eksotikai ar “paralelo Visumu” vai “augstākām dimensijām”.
Grūtības, kas jāpārvar Higsa bozona atklāšanā, ir bijušas tik lielas, un tā domājamā loma tik nozīmīga, ka šī daļiņa ir ironiski iesaukta par “Dieva daļiņu”, kaut daudzi fiziķi no šā masu saziņas līdzekļu izdomātā pseidonīma raucas čokurā.
2000.gadā viena no Eiropas kodolpētījumu centra kodolfiziķu grupām Ženēvā jau ziņoja par Higsa bozona pamanīšanu, bet pēc tam paši pētnieki apšaubīja savus rezultātus. Runa ir par eksperimentu virkni pretēju kūļu sadursmju paātrinātājā (kolaiderā), kas darbojās 11 gadus un pašlaik ir nomainīts ar daudz jaudīgāku iekārtu – Lielo hadronu paātrinātāju (LHC). Šis superpaātrinātājs ir iebūvēts tajā pat 27 km garajā gredzenveida tunelī un ir projektēts, lai būtu pietiekami jaudīgs gala lēmuma gūšanai par šīs noslēpumainās daļiņas esamību vai neesamību.
Maksims Borisovs
http://grani.ru/Society/Science/m.37640.html
Skat.arī
http://www.newscientist.com/article/mg20827815.300-lhc-chief-finding-nothing-would-be-interesting.html
Vielas piektais agregātstāvoklis
2010.12.01
Pirms nedēļas vienā no svarīgākajiem zinātniskajiem žurnāliem Nature tika publicēts kādas zinātnieku grupas raksts par to, ka viņiem izdevies iegūt Bozes-Einšteina kondensātu uz fotonu bāzes.
Ko tas nozīmē? Bozes-Einšteina kondensāts ir ārkārtīgi specifiska, bet neiedomājami interesanta vielas forma, ko dažkārt dēvē par piekto agregātstāvokli, pielīdzinot to līdz šim zināmajiem četriem: cietajam, šķidrajam, gāzveida un plazmas. Kad viela atrodas šajā stāvoklī, tajā makrolīmenī sāk parādīties kvantu efekti. Faktiski var teikt, ka Bozes-Einšteina kondensāts ir liela (ļoti liela) kvantu daļiņa.
Teorija
Bozes-Einšteina kondensāts (BEK) uz fotonu bāzes ir ārkārtīgi “progresīvs” BEK variants, un ilgi tika uzskatīts, ka tādu iegūt principā nav iespējams. Kas vispār ir šis kondensāts? Par jēdziena dzimteni var uzskatīt Indiju, tieši tur sava mūža lielāko daļu nodzīvoja cilvēks, kurš pirmoreiz norādīja uz līdz tam nepazīstama matērijas agregātstāvokļa iespējamību. Šo cilvēku sauca Šatjendranats Boze, viņš bija viens no kvantu mehānikas dibinātājtēviem.
Lai pieminētu Bozes zinātniskos nopelnus, viņa vārdā tika nosaukts viens no elementārdaļiņu tipiem – bozoni. Pie bozoniem pieder, piemēram, fotoni – elektromagnētisma pārnēsātāji, un glioni, kas pārnēsā stipro mijiedarbību un nosaka kvarku pievilkšanos citam pie cita. Daudzinātais Higsa bozons, kura atklāšanai speciāli tika uzbūvēts Lielais Hadronu paātrinātājs, arī pieder bozonu grupai.
Daļiņas piederību pie bozoniem nosaka pēc tās spina – elementārdaļiņai piemītošā impulsa momenta (dažkārt spina jēdzienu skaidro kā daļiņas rotāciju pašai ap savu asi, taču šāds priekšstats ir pārāk vienkāršots). Bozona spins vienmēr ir vesels, respektīvi to izsaka ar veselu skaitli. Citam elementārdaļiņu tipam – fermioniem – spins ir “pusvesels”.
Bozoni un fermioni atšķiras viens no otra ne tikai ar spina vērtību – šīs daļiņas atšķiras ar virkni fundamentālu īpašību. Tai skaitā bozoni var nepakļauties tā sauktajam Pauli principam vai Pauli aizliegumam, kas saka, ka divas elementārdaļiņas nevar atrasties vienā un tajā pašā kvantu stāvoklī. Kvantu stāvokļi cits no cita atšķiras pēc enerģijām, un zemās temperatūrās fermioni, kas stingri seko Pauli principam, rindas kārtībā aizpilda secīgus stāvokļus. Vispirms tiek aizpildīti stāvokļi ar mazāko enerģiju (vismazāk “uzspriegotie” priekš daļiņām), bet kā pēdējie – tie ar visaugstāko enerģiju. Visuzskatāmāk šī fermionu īpašība sastāties rindas kārtībā atbilstoši kvantu stāvokļiem parādās pie zemām temperatūrām, kad sistēmas uzvedību nenomaskē temperatūru fluktuācijas.
Bozoni pie zemām temperatūrām uzvedas citādāk – tos neierobežo Pauli aizliegums, un tāpēc tie cenšas pēc iespējas ieņemt pašas ērtākās vietas, kvantu līmeņus ar vismazāko enerģiju. Rezultātā atdzesējot bozonus notiek lūk, kas: tie sāk kustēties ļoti lēni, ar ātrumu daži milimetri sekundē, tie “piespiežas” cits pie cita, “nolēc” vienā un tajā pašā kvantu stāvoklī un galu galā sāk uzvesties koordinēti – tā, kā uzvestos viena gigantiska kvantu daļiņa.
Tieši par šādu transformāciju, kādai būtu jānotiek ar bozoniem pie temperatūras, kas tuva absolūtajai nullei, 1920. gadu sākumā Šatjendranats Boze uzrakstīja vēstulē Albertam Einšteinam. Boze grasījās savus apsvērumus izklāstīt arī žurnālā Zeitschrift fur Physik, taču Einšteinu tā iedvesmoja indiešu kolēģa idejas, ka viņš pats nekavējoties pārtulkoja Bozes rakstīto no angļu valodas uz vācu un nosūtīja redakcijai. Vispārējās un speciālās relativitātes teorijas autors tālāk attīstīja Bozes idejas. Indietis bija aplūkojis tikai fotonus, bet Einšteins Bozes teoriju papildināja attiecībā uz daļiņām, kam piemīt masa. Šādi papildinātu, Einšteins teoriju izklāstīja divos rakstos, ko tāpat nopublicēja Zeitschrift fur Physik.
Prakse
Tā nu sanāk, ka BEK teorija pamatos bija izstrādāta jau 20. gadsimta pirmajā trešdaļā. Tomēr iegūt vielu, kas atrastos šajā stāvoklī, zinātniekiem izdevās tikai septiņdesmit gadus vēlāk. Aizkavēšanās iemesls ir vienkāršs – lai panāktu to, ka bozoni uzvedas kā vienota kvantu sistēma, tos jāatdzesē līdz temperatūrai, kas no absolūtās nulles (mīnus 273,15 grādiem pēc Celsija) atšķiras tikai par dažām grāda miljonajām daļām. Ilgu laiku fiziķi vienkārši nemācēja tikt pie tik zemām temperatūrām. Otrs šķērslis bija tas, ka daudzas vielas, to temperatūrai tuvojoties absolūtajai nullei, sāk uzvesties kā šķidrumi, taču, lai iegūtu BEK, ir nepieciešams, lai tās saglabātu savu “gāzes” stāvokli (vārds “gāze” te likts pēdiņās, jo superzemās temperatūrās vielas daļiņas neizbēgami zaudē vienu no gāzveida stāvokļa pamatīpašībām – kustīgumu).
1990. gadu vidū tika pierādīts, ka sārmu metāli nātrijs un rubīdijs pie atdzesēšanas saglabā savas “pareizās” īpašības, kas nozīmē, ka teorētiski tie var pāriet BEK stāvoklī (izotopi rubīdijs-87 un nātrijs-23 ir ar veselu atoma spinu un ir tā sauktie saliktie bozoni). Lai rubīdija atomu temperatūru pazeminātu līdz vajadzīgajiem superzemajiem rādījumiem, zinātnieki Ēriks Kornels (Eric A. Cornell) un Karls Vīmens (Carl Wieman) no ASV Nacionālā standartu un tehnoloģiju institūta un Kolorado štata universitātes Bolderā pielietoja lāzerdzesēšanu kopā ar dzesēšanu iztvaicējot.
Dzesēšana ar lāzeru notiek tā: atoms absorbē tam pretī nākošos fotonus un pēc tam izlaiž starojumu. Šajā procesā notiek atoma pakāpeniska palēnināšanās, un atomu kopuma temperatūra attiecīgi pazeminās. Tomēr ar vienu pašu lāzerdzesēšanu nepietiek, lai sasniegtu temperatūru, pie kuras kļūst iespējama pāreja uz BEK stāvokli. Liekās grāda daļas var aizvākt, ja no atomu kopuma izņem pašus ātrākos atomus (līdzīgā veidā atdziest tēja krūzītē, kas nolikta uz galda).
1995. gadā zinātniekiem izdevās atdzesēt kādus 2 tūkstošus rubīdija-87 atomu līdz 20 nanokelvinu temperatūrai ( viens nanokelvins ir 1×10 -9 no kelvina), un tie pargāja BEK stavoklī. Eksperimenta kamerā kondenstāts turējās, pateicoties īpašas konstrukcijas magnētiskam slazdam. Četrus mēnešus pēc Kornela un Vīmena eksperimenta rezultātu publikācijas parādījās Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta fiziķa Volfganga Keterles (Wolfgang Ketterle) raksts. Viņam bij izdevies iegūt BEK uz nātrija atomu bāzes. Keterle izmantoja nedaudz citādāku veidu, kā noturēt atomus magnētiskajā slazdā, un viņam izdevās pārnest “piektajā matērijas agregātstāvoklī) daudz vairāk atomu nekā iepriekšējā eksperimenta veicējiem. 2001. gadā visi trīs zinātnieki izpelnījās Nobela prēmiju fizikā.
Sākot ar1995. gadu, ar BEK iegūšanu un izpēti nodarbojas daudzas fiziķu grupas, kuras pēta BEK rodošos virpuļus, viļņu inteferenci starp kondensātiem un daudz ko citu. 2009. gadā zinātniekiem pirmo reizi izdevās novest līdz BEK stāvoklim kalcija atomus – šī elementa gadījumā BEK viļņu aina ir ievērojami skaidrāka, nekā tas ir pie sārmu metāliem. 2003. gadā Keterles grupa spēja radīt no BEK lāzera analogu un pat iegūt BEK no fermioniem. Galu galā 2010. gadā pirmoreiz BEK ieguva no fotoniem – ilgu laiku daudzi fiziķi bija pārliecināti, ka tas vispār nav iespējams.
Šādu parliecību vairoja aizdomas, ka gaismas kvantus absorbēs eksperimenta kameras sienas un tie vienkārši “izslīdēs” no zinānieku tvēriena. Lai noķertu, atdzesētu un noturētu BEK iegūšanai un tā izpētei nepieciešamo fotonu daudzumu, Bonnas universitātes zinātnieki izmantoja divus izliektus spoguļus, starp kuriem bija 1,5 mikrometra atstatums – šāds attālums ir salīdzināms ar tādu fotonu viļņa garumu, kuri atrodas kvanta stāvoklī ar minimālu enerģiju.
Lāzerdzesēšanas metode fotoniem nav piemērojama – tie pārāk vāji mijiedarbojas cits ar citu, tāpēc pētnieki dzesēja, izmantojot speciālu krāsvielu, kas absorbēja un izstaroja gaismas kvantus. Fotoni sadūrās ar tā molekulām un pakāpeniski to temperatūra izlīdzinājās ar krāsvielas temperatūru. Atšķirībā no atomiem, lai iegūtu BEK no fotoniem, tie nav jāatdzesē līdz Kelvina nullei – pāreja notiek istabas temperatūrā. Pašus fotonus zinātnieki “iepumpēja” spraugā starp spoguļiem ar lāzera palīdzību. Pāreja uz BEK notika, kad fotonu skaits tuvojās 60 tūkstošiem.
Lasītājiem var rasties jautājums, kāpēc gan zinātnieki noņemas ar šo nesaprotamo BEK. Protams, fiziķu gluži fundamentālā interese par iespēju “aptaustīt” un pa tiešo skatīt kvantu mehānikas likumsakarību izpausmes ir saprotama. Taču vai “piektajam agregātstāvoklim” ir jelkāds praktisks pielietojums? Līdzīgi, kā tas ir ar citiem fizikas atklājumiem, arī šoreiz šāds jautājums šķiet priekšlaicīgs. Atcerēsimies, ka arī tiem fiziķiem, kuri pētīja radioaktīvo sabrukšanu vai elektronus, diezin vai varēja ienākt prātā, cik vērienīgas sekas nākotnē būs viņu darbam.
Pirmkārt, agrāk vai vēlāk inženieri allaž izgudro jaunas ierīces, kurās pētāmie objekti tiek pa tiešo izmantoti un kuras agrāk, pirms šie objekti bija atklāti un izpētīti, nemaz nevarēja izgudrot. Otrkārt, jaunu parādību izpēte paplašina cilvēku priekšstatus par fiziku un tādējādi ļauj nākotnē atklāt un skaidrot citas agrāk nepazītas parādības, ka savukārt var izrādīties par iemeslu atkal jaunām inženieru izgudrotām ierīcēm, un tā tālāk.
Šobrīd viens no visacīmredzamākajiem BEK praktiskajiem pielietojumiem ir superprecīzu detektoru radīšana, piemēram, magnētiskā un gravitācijas lauka pētīšanai. Taču, tā kā BEK īpašību izpēte attīstās ļoti strauji, jau drīz var gaidīt pilnīgi jaunus pavērsienus.
Irina Jakutenko
Gara dāvanas 