Физики изучили течение жидкости сквозь пористый материал по узорам на поверхности
Физики изучили распространение жидкости с примесью красителя в пористом материале. Полное представление о смешивании они получили благодаря хаотическим узорам на поверхности. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Пористые материалы обладают сложной структурой. Проходя через них, жидкость движется хаотично в разных направлениях. Если в такой хаотично движущейся жидкости окажется примесь, произойдет перемешивание.
Увидеть этот процесс напрямую можно только в прозрачных материалах. Но для практического применения важнее изучить движение жидкости не в пористом стекле, а, например, в почве или гравии. Получив описание таких процессов, можно понять, как меняется концентрация загрязняющих веществ в воде при прохождении сквозь горные породы.
Смешивание в непрозрачных материалах уже наблюдали с помощью рентгеновской и магнитно-резонансной спектроскопии, но эти методы дали изображения недостаточно высокого качества — микроскопические аспекты процесса остались невидимыми.
Джорис Хейман (Joris Heyman) и Танги Ле Борн (Tanguy Le Borgne) из Университета Ренна I вместе с Даниэлем Лестером (Daniel Lester) из Мельбурнского королевского технологического института разработали новый метод, который позволяет наблюдать за процессом протекания вещества через пористый материал, когда получение прямого изображения невозможно.
В качестве пористой среды ученые взяли цилиндры высотой 20 сантиметров, заполненные шариками диаметром пять миллиметров или гравием со средним диаметром одного обломка 5,4 миллиметра. Между основаниями цилиндров поддерживали постоянный барический градиент, который обеспечивал установившийся поток смеси воды и глицерина сквозь материал в цилиндре.
Эксперимент провели в два этапа. Сначала в жидкость тонкой иглой (r = 0,5 миллиметра) ввели флуоресцентный краситель сквозь одно из оснований цилиндра. После того, как краситель достиг другого основания, ученые поменяли направление потока на обратное.
Для возбуждения флуоресцентного излучения вещества, проступающего на поверхности, использовали лазер. Перемешивание красителя произошло, несмотря на то, что поток жидкости был медленным и не турбулентным. Картина на поверхности менялась со временем: краситель распространялся от одного пятнышка в центре, постепенно создавая хаотические узоры.
Новый метод дал изображение с точностью до микроскопических деталей. Ученые смогли качественно оценить смешивание веществ в жидкости, протекающей сквозь непрозрачное пористое вещество.
Мы уже писали о поведении жидкостей на микромасштабах. А здесь можно прочитать о том, как лазер позволяет создать направленные потоки в жидкости.
Екатерина Назарова
Результат получила коллаборация Belle II
Выход за пределы Стандартной модели — важнейшая поисковая задача физиков, занимающихся элементарными частицами. В первую очередь они ориентируются на существующие крупные аномалии, например, темную материю. Множество расширений Стандартной модели опирается на введение новых невидимых бозонов, которые могли бы стать такой материей. Один из процессов, где такие бозоны могли бы себя проявить — это распад тау-лептона. Физики знают, что этот тяжелый лептон распадается на электрон или мюон и соответствующий набор нейтрино. Ряд теорий, однако, предсказывает альтернативный канал распада, в котором вместо нейтрино рождается темный бозон. Проверить эту гипотезу вызвались физики из коллаборации Belle II, работающие на лептонном коллайдере SuperKEKB. В ходе измерительной кампании, длящейся с 2019 по 2020 год, ученые собрали данные о более, чем 57 миллионах событий, в которых сталкивающиеся электроны и позитроны превращаются в таон-антитаонные пары при энергии в системе центра масс, равной 10,58 гигаэлектронвольта. Интегральная светимость эксперимента составила 62,8 обратного фемтобарна. Физиков интересовали коэффициенты ветвления процессов с участием темных бозонов, деленные на соответствующие коэффициенты для известных процессов. Авторы протестировали собранные данные для бозонов в диапазоне масс от 0 до 1,6 гигаэлектронвольта и не нашли подтверждения этой гипотезе. Результат работы физиков накладывает новые ограничения на отношения коэффициентов ветвления: (6−36)×10−3 для распада на электрон и (3−34)×10−3 для распада на мюон с доверительным интервалом 95 процентов. Японский коллайдер SuperKEKB — это модернизированная версия его предшественника, коллайдера KEKB. Он был снова запущен после семи лет ремонта в 2018 году. С тех пор на нем было получено множество новых результатов, например, уточненное время жизни очарованного лямбда-бариона.