Физики впервые увидели столкновение фотона с фотоном
Физики из коллаборации ATLAS впервые зарегистрировали эффект рассеяния квантов света, фотонов, на фотонах. Этот эффект — одно из старейших предсказаний квантовой электродинамики, он был описан теоретически более 70 лет назад, но до сих пор не был обнаружен экспериментально. Интересно, что он нарушает классические уравнения Максвелла, являясь чисто квантовым явлением. Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Nature Physics, однако препринт статьи вышел еще в феврале 2017 года. Подробности о нем сообщал портал «Элементы.ру»
Одно из главных свойств классической максвелловской электродинамики — принцип суперпозиции для электромагнитных полей в вакууме. Он позволяет напрямую складывать поля от разных зарядов. Так как фотоны — это возбуждения полей, то в рамках классической электродинамики они не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо этого они должны свободно проходить друг через друга.
Квантовая электродинамика расширяет действие классической теории на движение заряженных частиц с околосветовыми скоростями, кроме того она учитывает квантование энергии полей. Благодаря этому в квантовой электродинамике можно объяснить необычные явления, связанные с высокоэнергетичными процессами — например, рождение из вакуума пар электронов и позитронов в полях высокой интенсивности.
В рамках квантовой электродинамики два фотона могут столкнуться друг с другом и рассеяться. Но этот процесс идет не напрямую — кванты света незаряжены и не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо этого происходит промежуточное образование виртуальной пары частица-античастица (электрон-позитрон) из одного фотона, с которой и взаимодействует второй фотон. Такой процесс очень маловероятен для квантов видимого света. Оценить это можно из того, что свет от квазаров, удаленных на 10 миллиардов световых лет, достигает Земли. Но с ростом энергии фотонов вероятность процесса с рождением виртуальных электронов возрастает.
До сих пор интенсивности и энергий даже самых мощных лазеров не хватало для того, чтобы увидеть рассеяние фотонов напрямую. Однако исследователи уже нашли способ увидеть этот процесс косвенно, например, в процессах распада одного фотона на пару более низкоэнергетичных квантов вблизи тяжелого ядра атома.
Увидеть напрямую рассеяние фотона на фотоне удалось лишь в Большом адронном коллайдере. Процесс стал различимым в экспериментах после увеличения энергии частиц в ускорителе в 2015 году — с запуском Run 2. Физики коллаборации ATLAS исследовали процессы «ультрапериферийных» столкновений между тяжелыми ядрами свинца, разогнанными коллайдером до энергий 5 тераэлектронвольт на нуклон ядра. В таких столкновениях сами ядра не сталкиваются между собой напрямую. Вместо этого происходит взаимодействие их электромагнитных полей, в которых возникают фотоны огромных энергий (это связано с близостью скорости ядер к скорости света).
Ультрапериферийные столкновения отличаются большой чистотой. В них, в случае успешного рассеяния, возникает лишь пара фотонов с направленными в разные стороны поперечными импульсами. В противоположность этому обычные столкновения ядер образуют тысячи новых частиц-осколков. Среди четырех миллиардов событий, собранных ATLAS в 2015 году на статистике столкновений ядер свинца ученым удалось отобрать 13, соответствующих рассеянию. Это примерно в 4,5 раза больше, чем фоновый сигнал, который ожидали увидеть физики.
Коллаборация продолжит исследовать процесс в конце 2018 года, когда на коллайдере вновь пройдет сеанс столкновений тяжелых ядер. Интересно, что именно детектор ATLAS оказался подходящим для поиска редких событий рассеяния фотонов на фотонах, хотя для анализа столкновений тяжелых ядер был специально разработан другой эксперимент — ALICE.
Сейчас на Большом адронном коллайдере продолжается набор статистики протон-протонных столкновений. Недавно ученые отчитались об открытии на ускорителе первого дважды очарованного бариона, а еще весной физики коллаборации ATLAS рассказали о необычном избытке событий рождения двух бозонов слабого взаимодействия в области высоких энергий (около трех тераэлектроновольт). Он может указывать на новую сверхтяжелую частицу, однако статистическая значимость сигнала пока не превышает трех сигма.
Владимир Королёв
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.