Физики впервые показали квантовую природу пептидов
Ученые впервые продемонстрировали квантовое поведение молекул пептидов. Эти соединения представляют собой полимеры из нескольких аминокислот и очень распространены в живой природе. Результаты экспериментов открывают возможности для изучения квантовых свойств белков, участков ДНК и других биомолекул, пишут авторы в препринте на arXiv.org.
Обновлено: 19 марта 2020 года статью опубликовали в журнале Nature.
Одним из основополагающих положений квантовой механики является корпускулярно-волновой дуализм. Этим термином называется свойство реальных частиц вести себя и как классические точечные тела, и как волны. Наиболее ярко этот принцип проявляется в двухщелевом эксперименте, в котором поток частиц (например, электронов) попадает на непрозрачный экран с узкими прорезями. В результате позади него образуется интерференционная картина, то есть частицы демонстрируют волновое поведение.
Еще отчетливее квантовая природа видна при снижении интенсивности потока частиц. Оказывается, что даже в случае движения одиночных объектов они все равно ведут себя подобно волнам. В таком случае обычно иносказательно говорят, что частица «интерферирует сама с собой» и «проходит через обе щели сразу». Подобные эксперименты проводились множество раз, в результате чего удалось доказать квантовую природу многих видов частиц, таких как электроны, фотоны или отдельные атомы.
Теоретически корпускулярно-волновой дуализм предсказывает возможность наблюдения волновых свойств любых тел, однако для этого необходимо изучать отклонения от классической физики на малых расстояниях. Это связано с тем обстоятельством, что для массивного объекта соответствующие явления становятся заметными на масштабе, сравнимом с длиной волны де Бройля для данного тела, которая обратно пропорциональна массе. Получается, что чем массивнее объект, тем сложнее зарегистрировать его квантовое поведение.
В 1999 году была экспериментально доказана квантовая природа молекул фуллерена C60. На данный момент квантовое поведение зафиксировано у частиц с массами вплоть до порядка 10000 атомных единиц массы, которые состоят из примерно тысячи атомов. Однако существующие технологии позволяют работать далеко не с любыми соединениями. В частности, большинство важных в контексте биологии веществ легко разрушаются при воздействиях, которые должны создавать молекулярный пучок достаточной интенсивности.
Физикам из Австрии, Великобритании и США под руководством Маркуса Арндта (Markus Arndt) из Венского университета впервые удалось наблюдать квантовые свойства пептида, то есть полимера из небольшого количества аминокислот. В рамках эксперимента ученые создавали пучки грамицидина A1 в газовой фазе — антибиотика с линейной структурой из 15 аминокислот, масса молекул которого равна 1882 атомным единицам массы.
Проведенные опыты заключались в создании пучка ультрахолодных молекул и наблюдении интерференционных картин от взаимодействия частиц. Для этого ученые обстреливали покрытый грамицидином цилиндр лазерными импульсами длительностью несколько фемтосекунд, а испарившиеся молекулы увлекали потоком аргона или гелия. Затем поток сужали и направляли в полностью оптический интерферометр Тальбота — Лау, в котором в качестве дифракционных решеток выступают стоячие волны ультрафиолетового лазера. Выбранная частота лазера позволяет эффективно ионизировать остатки триптофана в составе грамицидина, что превращает стоячую волну в череду полос прозрачности.
Длина волны де Бройля для молекул грамицидина должна составлять около 350 фемтометров, что в 10000 раз меньше радиуса Ван-дер-Ваальса, на котором становятся заметны межмолекулярные силы взаимодействия. Однако полученную авторами картину интерференции можно объяснить только в предположении, что молекулы делокализованы более чем на 20 своих размеров.
Авторы называют ключевым использованным новшеством применение ультрафиолетовых лазеров с фемтосекундными импульсами, что позволило испарять хрупкие молекулы эффективнее любых других методов. Ученые прогнозируют, что схожим образом можно добиться изучения квантового режима небольших белков, таких как инсулин. Дальнейшие модификации должны позволить реализовать схожие опыты с другими видами биомолекул, в том числе с участками ДНК.
Недавно ученые показали лазерную передачу энергии для военных, превратили двумерный нитрид бора в квантовое сито для изотопов водорода и получили устойчивые капли магнитной «квантовой жидкости».
Редкий процесс рассмотрели в совместном массиве данных экспериментов CMS и ATLAS
На Большом адронном коллайдере впервые нашли убедительные следы редкого распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Его увидели со статистической точностью в 3,4σ в объединенных данных экспериментов CMS и ATLAS по протон-протонным столкновениям за 2015-2018 года. Обнаруженный сигнал совпал с предсказаниями Стандартной модели, но в будущем подробное изучение распада поможет в поиске различий между теорией и экспериментом. О своих результатах физики рассказали на конференции LHCP-2023, подробнее об открытии сообщается в сопровождающей записке. Бозон Хиггса — знаменитая элементарная частица, объясняющая существование инертной массы у ряда частиц Стандартной модели. Существование этой частицы теоретически предсказал Питер Хиггс еще в 1964 году, а в 2012 году ее обнаружили эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели, но на этом его исследование не закончилось. Те же самые ATLAS и CMS продолжили изучать свойства бозона, в числе которых — каналы его распада и сила его взаимодействия с другими частицами. Почти все предсказываемые Стандартной моделью свойства бозона Хиггса удалось подтвердить. Но некоторые из распадов этой частицы чрезвычайно редкие, поэтому чтобы увидеть и изучить их необходимо накопить особенно большой массив экспериментальных данных. Один из таких распадов — канал в один переносчик слабого взаимодействия Z-бозон и один фотон. Согласно теории, для бозона Хиггса с массой в 125 гигаэлектронвольт доля этого распада среди всех остальных — примерно 0,15 процента. Именно в такие редкие распады физики изучают в поисках расхождения экспериментальных данной со Стандартной моделью, у которой не получается объяснить ряд проблем в современной физике. Отклонение вероятности такого распада от стандартных теоретических предсказаний могло послужить аргументом в пользу моделей, в которых бозон Хиггса на самом деле нейтральный скаляр или сложная частица. Это же может указать на правдивость теорий с дополнительными еще не открытыми бесцветными заряженными частицами, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса через петлевые поправки. Теперь же ученым впервые удалось рассмотреть распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон в результатах экспериментов CMS и ATLAS. Физики проанализировали данные, накопленные за 2015-2018 года в ходе протон-протонных столкновений при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт. Z-бозон искали через продукты уже его распада на мюонную или электрон-позитронную пару с массой больше 50 мегаэлектронвольт. Сам распад идентифицировали через пик инвариантной массы пары Z-бозона и фотона в окрестности массы бозона Хиггса — 125 гигаэлектронвольт. Для увеличения чувствительности анализа данных к изучаемому распаду все события-кандидаты разделяли на несколько категорий в зависимости от канала рождения бозона Хиггса, накладывали ограничения на кинематику продуктов распада, а также использовали машинное обучение. В результате физики увидели искомый распад со статистической точностью в 2,2σ для данных ATLAS и 2,6σ для данных CMS, что в сумме дало статистическую точность в 3,4σ. Также ученые оценили силу сигнала µ — отношение наблюдаемого в эксперименте произведения сечения и вероятности распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон к предсказываемому Стандартной моделью значению. Полученное значение µ = 2.2 ± 0.7 хоть и говорит о результате в два раза больше теоретических предсказаний, но из-за высокой погрешности согласуется с теорией со статистической точностью в 1,9σ. При этом доля изучаемого распада бозона Хиггса среди других его распадов оказалась равной (3.4 ± 1.1) × 10−3. Таким образом, для проверки предсказаний Стандартной модели в данном канале распада все еще требуется больше экспериментальных данных. Это далеко не первый редкий распад бозона Хиггса, который зарегистрировали на Большом адронном коллайдере. К примеру, ранее те же эксперименты CMS и ATLAS увидели канал распада на два мюона. А о том, как и почему для изучения таких редких распадов собираются строить электрон-позитронную хиггсовскую фабрику, можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу».