Китайская космическая обсерватория «нащупала» края позитрон-электронного провала
Китайская космическая астрофизическая обсерватория DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) получила энергетический спектр высокоэнергетических электронов и позитронов космических лучей с высоким разрешением и малым уровнем шума и подтвердила существование «провала» в спектре в диапазоне энергий выше 1 тераэлектронвольта. Новые данные могут помочь в поиске следов темной материи. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Космические лучи привлекают внимание ученых уже по меньшей мере 100 лет. Они представляют собой ядра атомов и элементарные частицы, которые движутся в космическом пространстве. Их состав и распределение частиц по энергиям могут дать бесценную информацию об устройстве Вселенной. Особенно интересно присутствие в них частиц антивещества — позитронов. Они могут возникать при столкновении первичных космических лучей с межзвездным веществом или рождаться вблизи компактных астрофизических объектов, например пульсаров, которые работают как ускорители частиц. По мнению некоторых исследователей, они могут возникать при распаде или аннигиляции частиц темной материи, однако пока происхождение космических позитронов остается загадкой. Ранее детектор AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) на борту Международной космической станции получил спектры электронов и позитронов космических лучей до энергий в сотни гигаэлектронвольт, но спектр в области высоких энергий моделировался только теоретически.
Цзинь Чан (Jin Chang) и его коллеги из коллаборации DAMPE провели прямые измерения спектра электронов и позитронов космических лучей в космосе вплоть до энергий в несколько тераэлектронвольт с помощью одноименного космического аппарата (известного также как «Укун»), запущенного в декабре 2015 года. Им удалось снять спектр электронов и позитронов в диапазоне от 25 ГэВ до 4,6 ТэВ с очень высоким разрешением по энергии и малым уровнем фона. Наблюдения проводились в период с 27 декабря 2015 года по 8 июня 2017 года. В области 0,9 ТэВ на спектре наблюдается «провал» в количестве зарегистрированных электронов и позитронов, что подтверждает данные проведенных ранее (раз и два) косвенных измерений наземной обсерватории H.E.S.S.
Миссия DAMPE, изначально рассчитанная на три года работы в космосе, в дальнейшем может быть продлена, учитывая работоспособность всех систем. Исследователи хотят получить более точные данные и регистрировать частицы с энергиями до 10 ТэВ, чтобы выявить аномалии в спектре, например краевые особенности, которые позволят проверить параметры моделей, описывающих появление позитронов при аннигиляции или распаде частиц темной материи или работе природных ускорителей частиц, таких как остатки сверхновых или пульсары.
Ранее мы рассказывали о том, как космические лучи «омолодили» ледяной щит Гренландии и как астрофизики нашли неоднородность в направлении прилета высокоэнергетических космических лучей.
Александр Войтюк
В будущем это позволит проводить масштабные квантовые симуляции
Немецкие физики продемонстрировали технологию создания трехмерных оптических решеток на основе эффекта Тальбота. Он заключается в формировании волнового паттерна — «ковра» — сразу за дифракционной решеткой, в котором изображение щелей периодически повторяется. Таким способом ученым удалось загрузить более десяти тысяч атомов в бездефектную трехмерную решетку и продемонстрировать в ней адресную работу с атомами. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Пленение атомов светом сделало возможным прорывы в самых различных областях физики: от ультрахолодной химии и физики квантовых газов до квантовых вычислений и атомных часов. Подробнее о том, как работает эта технология в оптических пинцетах, мы рассказывали в материале «Скальпель и пинцет». Ряд задач требует пленения сразу большого числа атомов. Наиболее частым способом сделать это стали двумерные оптические решетки. Их формируют либо на пересечении стоячих волн, ориентированных под углом друг к другу, либо создавая систему оптических пинцетов из одного луча с помощью акустооптических модуляторов или металинз. Выход в третье измерение станет главным путем масштабирования технологий на основе пленения множества атомов. Физики умеют создавать трехмерные решетки с помощью скрещивания трех пар лазерных лучей. Ранее это позволило увеличить точность атомных часов. Но пока это технология довольно сложная и допускает малую вариативность параметров решетки. Мальте Шлоссер и его коллеги из Дармштадтского технического университета предложили новый подход к созданию трехмерных оптических решеток. Он основан на явлении, которое носит название эффект или «ковер» Тальбота. Он возникает непосредственно за дифракционной решеткой (то есть, в ближнем поле) после того, как на нее падает плоская волна, и представляет собой сложный фрактальный паттерн из областей повышенной и пониженной интенсивности. Важно при этом, что изображение щелей повторяется на расстояниях, равных полуцелому числу длины Тальбота. В какой-то момент, определяемый шириной дифракционной решетки, «ковер» заканчивается, и лучи расходятся в дальнее поле согласно теории Фраунгофера. Идея авторов заключается в том, чтобы загружать атомы в эти дополнительные слои с массивами световых пятен. При реализации этой идеи физики заменили дифракционную решетку двумерным массивом микролинз размером 166×166 штук и периодом 30 микрометров и облучали его светом титан-сапфирового лазера с длиной волны 796,3 нанометра. После прохождения массива микролинз свет попадал в обычную оптику, с помощью которой авторы настраивали параметры «ковра». В их опыте период решетки был равен 10 микрометрам, а расстояние между слоями — 133 микрометрам. Затем ученые загружали в получившуюся решетку охлажденные атомы рубидия-85. Атомы захватывались в узлы с вероятностью 60 процентов, поэтому физикам потребовался дополнительный пинцет, чтобы расставить атомы в бездефектные массивы в каждом слое. В результате им удалось получить 17 таких слоев по 777 атомов в каждом. Физики исследовали возможность масштабирования получившихся решеток. Они выяснили, что общее число атомов, которое можно будет пленить таким способом, может быть доведено до ста тысяч, если увеличить мощность лазера всего в пять раз. Помимо этого авторы продемонстрировали возможности адресации атомов, выстроив их в антиферромагнитный порядок по спину, а также решетки с более сложной геометрией. Предложенная физиками технология в перспективе способна масштабировать квантовые компьютеры и квантовые симуляторы на основе ридберговских атомов. Для этого им нужно будет придумать, как сократить расстояние между слоями, сделав его сопоставимым с периодом внутри слоя. Квантовыми симуляциями на плененных ридберговских атомах занимается группа Лукина, которая изготовила 256-кубитный квантовый симулятор. Подробнее об их работе мы рассказывали в материале «Пятьдесят кубитов и еще один».
