Фізика у 2022

Астрономи відкрили давній космічний супутник Землі

Астрономи знайшли астероїд 2023 FW13, який обертається навколо Сонця синхронно із Землею, що робить його "квазімісяцем" нашої планети.

Вперше астероїд був помічений 28 березня вченими за допомогою системи телескопів Pan-STARRS, яка робить знімки нічного неба з вершини Халеакала, сплячого вулкана на гавайському острові Мауї.

Незабаром присутність космічного каменю було підтверджено за допомогою Канадсько-Франко-Гавайського телескопа на Гаваях, а також Національної обсерваторії Кітт Пік і Небесного центру Маунт-Леммон в Арізоні. Після проходження всіх перевірок, про його відкриття було офіційно оголошено 1 квітня.

Новина привернула увагу Адріана Коффіне, журналіста французького новинного сайту Futura - Inspirons l'avenir. Простеживши шлях астероїда за допомогою симулятора орбіти, розробленого астрономом-аматором Тоні Данном, Коффіне першим виявив, що 2023 FW13 обертається навколо Сонця за той самий проміжок часу, що й Земля, а також робить виток навколо нашої планети. Ці деталі привели його до висновку, що космічний камінь, ймовірно, є квазімісяцем або квазісупутником Землі.

2023 FW13 - не перший об'єкт такого роду, виявлений у космічному сусідстві Землі. Астрономи вважають, що орбіта космічного каменя схожа на орбіту астероїда 2016 HO3, ще одного квазісупутника Землі, виявленого у 2016 році, який ніколи не віддаляється від планети занадто далеко.

Нагадаємо, в жовтні космічна агенція NASA відзвітувала про вдале збиття астероїда Діморфа за допомогою удару по ньому зондом DART. Це стало першим випадком, коли людство змінило рух небесного тіла.

Європа спрямовує місію JUICE шукати сліди життя на супутниках Юпітера

Чи існують умови, необхідні для виникнення життя інших планетах Сонячної системи? Європейська космічна місія JUICE (скорочено від Jupiter ICy moons Explorer) вирушить у восьмирічний політ до крижаних місяців Юпітера з космодрому Куру у Французькій Гвіані 13 квітня о 12:14 за всесвітнім часом. Про це пише RFI.

Дослідницький зонд місії JUICE Європейського космічного агентства (ESA) створений для подорожі в космосі завдовжки 628 млн км. Ракета-носій Ariane 5 підніме його шеститонну масу на висоту 1500 км. А далі, з орбіти Землі, JUICE та його дослідницька апаратура рушать у напрямку до Юпітера, найбільшої планети Сонячної системи. Точки призначення зонд має досягти у 2031 році. Протягом 8 років він виконуватиме складну, майже акробатичну програму переміщень, просуваючись завдяки гравітаційній силі планет на шляху до мети.

Для реалізації проєкту Європейському космічному агентству довелося мобілізувати бюджет у півтора мільярда євро та об'єднати фахівців із 13 країн Європи, США, Японії та Ізраїлю. Програма реалізована в найкоротші терміни для космосу — всього за 9 років. І, що рідко, лише з 9-місячним запізненням, зумовленим труднощами роботи за умов пандемії COVID.

Півтора мільярда за відповіді на чотири запитання

Вчені хочуть отримати відповідь на чотири головні питання. І перший із них — які умови для виникнення життя на окремо взятій планеті — пояснив RFI астрофізик Франсіс Рокар, керівник програми досліджень Сонячної системи у Національному центрі космічних досліджень (CNES):

"Місія JUICE буде, в основному, зосереджена на супутнику під назвою Ганімед, але також вивчатиме Європу та Калісто. Потрібно відповісти на питання про придатність цих місяців для життя. Чому постає таке питання? Тому що ми маємо вагомі аргументи на користь того, що під [поверхневою] кіркою льоду супутника має бути рідкий океан. А ми знаємо, що скрізь, де в Сонячній системі є рідка вода, виникає питання про можливе зародження там форм життя. JUICE не дасть бінарної відповіді: так-ні. Але зонд може дозволити нам зрозуміти чи можливе життя на Ганімеді, а може, і на Європі".

Шість із десяти наукових інструментів місії було створено за участю Франції. Завдяки цим інструментам вчені мають намір зібрати інформацію, щоб зрозуміти, як утворюються планети, як працює Сонячна система? Вони сподіваються визначити основні закони фізики у Всесвіті та відповісти на питання про появу нинішнього Всесвіту та його склад.

Першим був Галілей

На сторінці, присвяченій освоєнню Юпітера, Національний центр космічних досліджень нагадує, що дослідження Юпітера почалося 400 років тому, коли Галілео Галілей відкрив чотири його основні супутники: Іо, Європу, Ганімед і Каллісто. На зорі космічної ери було відомо, що планета багата воднем і має систему поздовжніх зон і смуг, що чергуються, а також таємнича Велика Червона Пляма — погодне явище, природа якого погано вивчена.

Значну інформацію дозволили зібрати в 1970-х роках зонди Pioneer та Voyager, місія Galileo наприкінці століття і, нарешті, Juno, запущена до Юпітера в 2011 році та з 2016 року продовжує збір інформації на периферії космічного гіганта. Ці місії дозволили дізнатися про склад атмосфери Юпітера, структуру його хмар, його полярні сяйва, а також характер магнітного поля планети. Вони також дозволили відкрити активний вулканізм на Іо та наявність океану рідкої води під крижаною поверхнею трьох інших супутників, відкритих Галілео Галілеєм.

Під час підготовки JUICE та його апаратури до запуску вчені мали передбачити безліч параметрів для захисту та енергозабезпечення систем. Так, спеціальна термоізоляція захистить JUICE за значних змін температур: від +250°C при польоті над Венерою, до -230°C поблизу Юпітера.

Щоб забезпечити зонд енергією, корабель забезпечили величезними сонячними панелями площею 85 м2. Така апаратура, розміром із баскетбольний майданчик, дозволить зонду збирати максимум фотонів у космічному просторі, де сила сонячного світла у 25 разів слабша, ніж на Землі.

Ця енергія знадобиться при збиранні метеоданих, вимірі сили магнітних полів, гравітаційного зв'язку місяців один з одним. Вчених цікавить взаємодія супутників Юпітера з центром та між собою, усередині цієї мініатюрної системи планет.

Особливий інтерес вчені мають супутник Ганімед. Це найбільший супутник планети у сонячній системі. Він єдиний має власне магнітне поле, що захищає його від космічної радіації. Вчені планують вивести JUICE на його орбіту у 2034 році.

Останній запуск Ariane 5

Ці місії JUICE будуть доповнені даними зонду NASA Europa Clipper, який запустять до місяця Європа в 2024 році.

Загальна вартість проєкту JUICE становила 1,6 млрд євро. Це останній політ у космос ракети-носія Ariane 5. Це також перша європейська місія для дослідження зовнішньої частини Сонячної системи, яка стартує після місії на Марс. Перша фаза досліджень Марса стартувала у 2016 році, а друга провалилася через початок війни в Україні. Запуск зонда в березні 2022 року російськими партнерами було скасовано.

У 2022 році у фізиці відбулося багато важливого. На лазерній установці NIF вперше отримали більше енергії від термоядерного синтезу, ніж її знадобилося від лазерів на запуск реакції. А на Великому адронному колайдері відкрили дивний пентакварк і розібралися з аномалією у розпадах В-мезонів. У протоні відшукали внутрішню чарівність, а у натрію — його найважчий ізотоп. Не обійшлося і без порушень: маса W-бозона не вписалась у Стандартну модель, а ядра магнію порушили правила магічності. Розповідаємо 10 історій, як цього року фізики наближали нас до розуміння Всесвіту

Детектор колаборації ALICE. CERN

Запал року

Отримана термоядерним синтезом енергія на лазерній установці NIF вперше перевищила енергію лазерного випромінювання

Найголоснішою новиною останнього місяця року став експеримент вчених центру National Ignition Facility, які працюють із термоядерним синтезом. На своїй лазерній установці NIF вони отримали більше енергії, ніж на запал реакції знадобилося енергії лазерного випромінювання.

Камера, де лазери потрапляють у мішень з паливом. John Jett, Jake Long / LLNL

Термоядерний синтез вважається безпечнішим та екологічнішим підходом з видобутку енергії, адже на відміну від традиційних ядерних реакторів, що добувають енергію з реакцій розпаду, термоядерний синтез отримує енергію у ході злиття ядер. Необхідне для отримання енергії злиття ядер потребує надвисоких температур, щоб ядра атомів подолали сили електромагнітного відштовхування, а тому фізикам потрібна високотемпературна плазма, яку потрібно не лише розігріти, а і утримувати достатній час.

На NIF для цього вчені використовують одночасно 192 потужні лазери. Пройдену ними межу назвали «межею наукової беззбитковості», адже поки затрачену на роботу установки енергію компенсувати не вдалося, та і виробляли її виключно з дослідницькими, а не промисловими цілями.

Відкриття року

Новий сезон роботи Великого адронного колайдера

Цього року завершилась трирічна відпустка Великого адронного колайдера, який зупинили для модернізації під гаслом «ще вищі енергії та ще менші масштаби». У липні на найбільшому в світі прискорювачі частинок розпочалися зіткнення протонів з енергією 13,6 тераелектронвольта — вдвічі більшій за попередній сезон на ВАК та майже вчетверо більшій за найперший сезон роботи колайдера у 2010 році.

CERN

Так довго на цей запуск ВАК фізиків змусила чекати пандемія (ще пам'ятаєте про таке?). Втім, на цьому перешкоди ВАК не закінчилися. У вересні через стрибок цін на електроенергію внаслідок повномасштабного російського вторгнення в Україну, Європейська організація з ядерних досліджень (CERN) зупинила роботу колайдера заради економії. ВАК відправили на зимові канікули на два тижні раніше запланованого.

І хоча вже в березні прискорювач поновить роботу, зупинка вплине на заплановані на цей сезон експерименти на ВАК.

Відкрито дивний пентакварк

І хоча Великий адронний колайдер на зимових канікулах, фізики продовжують обробляти дані минулих запусків та публікують нові відкриття про те, з чого складається Всесвіт. Вчені, що працюють на ВАК з детектором LHCb, повідомили про відкриття одразу трьох нових частинок: дивного пентакварка, двічі зарядженого тетракварка і його нейтральної частинки-партнера.

Детектор колаборації LHCb. Як свідчить літера «b» у їхній назві, вчені працюють із красивими кварками — b-кварками. CERN

Дивний пентакварк — третя відома частинка, що складається з п'яти кварків, а також перша відома, що містить у собі дивний кварк. Знайдений пентакварк складається пари чарівних кварка-антикварка, а також верхнього, нижнього і дивного кварків.

Одна з можливих інтерпретацій структури знайденого пентакварка. CERN

Другим видом відкритих частинок стала пара тетракварків: двічі заряджений і відкрито чарівний тетракварк із нейтральною частинкою-партнером. Перший складається з чарівного кварка, дивного антикварка та верхнього і нижнього антикварків, а його партнер — з чарівного кварка, дивного антикварка та верхнього антикварка і нижнього кварка.

У протоні знайшли внутрішню чарівність

Чарівний кварк відшукали і у протоні — колаборація фізиків NNPDF за допомогою машинного навчання проаналізувала величезний масив даних з експериментів та показала, що до одного відсотка імпульсу частинки припадає на чарівний кварк.

Чарівність у протоні з'являється якщо розігнати частинку до довколосвітніх швидкостей, де до двох верхніх кварків та одного нижнього, з яких складається протон, на додачу утворяться так звані «морські кварки». Вони летять разом з вихідними кварками та несуть у собі долю енергії та імпульсу протона.

DOE's Jefferson Lab

Весь імпульс протона розподілений у деяких пропорціях між усіма цими частинками, однак якщо теорія передбачала, що чарівний кварк слід враховувати у хвильовій функції протона, то для того, аби його знайти фізикам знадобилося 40 років. У своїй роботі вченим вдалося зі значущістю результату у три стандартних відхилення виокремити внесок чарівного кварка у глибоко непружне розсіяння протона.

Фізики відкрили найважчий ізотоп натрію

Нову частинку відкрили і фізики з німецького інституту RIKEN. Їм вдалося отримати новий — і найважчий з відомих для натрію — ізотоп натрій-39. За два дні експериментів вчені зареєстрували натрій-39 дев'ять разів, що підтверджує відкриття. Новий ізотоп наближає вчених до межі нейтронної стабільності атомних ядер, яка необхідна для розуміння ядерної структури та сильної ядерної взаємодії.

Магній порушив правила магічності своїх ядер

А от новий ізотоп магнію, який відкрили вчені у Національній циклотронній лабораторії Мічиганського університету, змусив засумніватися в умовах магічності своїх ядер.

Магічними фізики називають такі ядра, де нейтрони чи протони повністю заповнюють оболонки ядра. За цією магією, на думку вчених, приховується стабільність ядер, а чим більший дисбаланс у кількості протонів та нейтронів, тим нестабільніше ядро. Нововідкритий магній-18 містить у своєму ядрі немагічні 12 протонів і 6 нейтронів та живе секстильйонні долі секунди. Однак при цьому необхідна йому для збудження енергія є більшою за таку для його магічного «родича» — магнію-20.

Свої сумніви у магічності ядра з восьми протонів у магнію-20 фізики планують підтвердити або спростувати майбутніми експериментами з ізотопом кремнію. А знайдене порушення допоможе краще зрозуміти, на чому заснована стабільність атомних ядер.

Фізики не знайшли порушення принципу лептонної універсальності

До речі про порушення. Минулого року фізики колаборації LHCb помітили у розпадах В-мезонів на ВАК порушення принципу лептонної універсальності — одного з правил, яке передбачає Стандартна модель. B-мезон надав перевагу розпаду на електрони замість мюонів, хоча співвідношення швидкості розпаду на пару електрон-позитрон та пару мюон-антимюон мало бути б однаковим.

Але цього року аномалія зникла. Ця ж команда вчених додала до аналізу ще більшу кількість зібраних на ВАК подій розпаду B-мезона та не знайшла відхилень від передбачень Стандартної моделі.

Маса W-бозона не вписалась у Стандартну модель на сім стандартних відхилень

А от аномалії в експериментах з вимірювання маси W-бозона — частинки-носія слабкої взаємодії — пощастило менше. Колаборація фізиків CDF оцінила масу частинки в 80 433±9,4 мегаелектронвольта, що відрізняється від передбачення Стандартної моделі та може вказувати на нові, невідомі раніше, частинки або види взаємодій між ними — Нову фізику.

Кільцевий прискорювач заряджених частинок Теватрон у Фермілабі, 10 років експериментів на якому дозволили отримати значення маси W-бозона. Fermilab

Отримане значення більше передбаченого теорією з достовірністю у сім стандартних відхилень, тоді як зазвичай фізикам достатньо п'яти, щоб вважати результат достовірним. Звісно, дані колаборації ще слід перевірити іншими експериментами. Однак якщо порушення не виявиться похибкою експериментаторів, теоретикам доведеться шукати пояснення за межами Стандартної моделі.

Магнітні монополі не знайшли на ВАК та на IceCube

Попри велику кількість знайдених у 2022 нових частинок, шукачам магнітних монополів не пощастило — їх не знайшли ані у зіткненнях ядер свинцю, ані на антарктичній станції

Магнітний монополь — це гіпотетична елементарна частинка, що має нести елементарний магнітний заряд. Так ніби ви могли б розділити магніт навпіл та отримати окремо північний або південний полюс (навіть якщо розкришити магніт на атоми цього зробити не вдасться). Для фізиків це означає, що на відміну від електричних зарядів, які можна отримати окремо позитивний і негативний, елементарного магнітного заряду не існує. Але пошуків вони не припиняють, адже монополі потрібні як для симетрії між електричними і магнітними явищами, так і для деяких теорій з розширення Стандартної моделі.

Цьогоріч свої сили у пошуках магнітного монополя спробували фізики колаборації MoEDAL. У зіткненнях ядер свинцю на Великому адронному колайдері їм вдалося утворити магнітне поле у 10¹⁶ тесла, що на чотири порядки більше, ніж найбільше магнітне поле, яке могли побачити астрономи у нейтронних зірках. Втім, навіть у таких умовах таких очікуваних пар монополь-антимонополь, на які фізики націлили детектори, вчені не дочекалися. Хоча так дослідники отримали нижню межу маси для магнітних монополів, які можна спробувати пошукати на колайдері.