Физики впервые получили суперионный лед
Американские физики впервые экспериментально получили суперионный лед — особое состояние льда, в котором ионы кислорода образуют жесткую кристаллическую решетку, а ионы водорода свободно по ней перемещаются. Теоретически такая форма льда была предсказана еще 30 лет назад, но получить ее экспериментально удалось впервые, пишут ученые в Nature Physics.
Около 30 лет назад теоретически было предсказано, что при сверхвысоких давлениях и температурах в несколько тысяч градусов водный лед может существовать в суперионной форме. В таком состоянии ионы кислорода образуют жесткую связанную решетку, а ионы водорода по этой решетке перемещаются подобно жидкости. Условия, при которых должен образовываться суперионный лед, характерны, например, для Нептуна или Урана — планет из группы ледяных гигантов, в недрах которых содержится довольно большое количество высокотемпературных модификаций льда, среди которых, вероятно, есть и суперионный. Однако получить такой лед в лабораторных условиях и подтвердить существование этой фазы экспериментально до настоящего момента не удавалось.
Американские физики под руководством Мариуса Миллота (Marius Millot) из Ливерморской национальной лаборатории впервые смогли получить суперионный лед в лаборатории. Для этого ученые использовали ударное сжатие льда-VII под действием лазера. Лед-VII — одна из разупорядоченных кубических модификаций льда, которую можно получить при давлении около 2,5 гигапаскалей (что в 25 тысяч раз больше атмосферного) и комнатной температуре. Такой лед авторы работы синтезировали в ячейке с алмазными наковальнями, после чего с помощью лазера возбуждали в нем ударные волны, которые распространялись со скоростью от 4 до 10 километров в секунду и приводили к локальному нагреву и увеличению давления. Необходимые условия возникали на очень короткое время (около 10 — 20 наносекунд), после чего вода испарялась.
За состоянием льда ученые наблюдали с помощью интерференционной велосиметрии и пирометрии, позволяющих оценить давление и температуру по оптическим характеристикам. Кроме того, с помощью численного моделирования с использованием теории функционала плотности и молекулярной динамики физики показали, что при использованных условиях действительно должен образовываться суперионный лед. Согласно полученным результатам, возможность образования суперионного льда сильно повышает температуру плавления, которое начинается только при температуре около 5 тысяч градусов и давлении в 190 гигапаскалей.
Авторы работы также показали, что для суперионного льда характерна и очень высокая ионная проводимость. Поскольку катионы водорода внутри такой структуры двигаются относительно свободно, то протонная проводимость превышает 100 сименсов на сантиметр. При этом сохраняется и небольшая электронная проводимость.
По словам авторов работы, возможностью перехода из твердого состояния не в жидкое, а в суперионное можно объяснить и некоторые другие фазовые переходы в воде, наблюдавшиеся в других работах при давлениях около 50-70 гигапаскалей.
Ученые утверждают, что экспериментальное подтверждение существования суперионного льда, во-первых, показывает применимость используемых в данный момент компьютерных моделей для численного расчета и моделирования, а во-вторых, дает большое количество очень важной информации о состоянии воды на небесных телах, для которых характерны подобные температура и давление. Исходя из полученных результатов, например, для ледяных гигантов можно оценить механические, магнитные и электронные свойства их ледяных оболочек.
Поскольку водород и кислород — одни из наиболее распространенных элементов в Солнечной системе, а молекула воды имеет очень устойчивую структуру, довольно большое количество различных форм льда находят не только на ледяных гигантах, но и на более маленьких планетах и других небесных телах. Например, недавно на Марсе ученые обнаружили сразу восемь участков, где лед выходит на поверхность планеты. До этого с помощью зонда Dawn лед удалось обнаружить на карликовой планете Церера и астероиде Веста.
Александр Дубов
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.