Физики запутали частицы из настоящего и прошлого

Оптический стол с лазером, зеркалами и другими устройствами

NASA

Физики из Еврейского университета в Иерусалиме получили квантово запутанную пару из двух фотонов. При этом одного из фотонов к моменту запутывания уже не существовало. Краткое описание опыта приводит Science Now, а статья ученых появилась в журнале Physical Review Letters. Препринт статьи доступен на сайте arXiv.org.

Запутанными частицами называют частицы, квантовые характеристики которых связаны друг с другом, то есть, они рассматриваются как единая квантовая система. Воздействие на такую систему - например, измерение какого-нибудь параметра одной из частиц - сказывается на состоянии всего объекта, то есть, в том числе, и на состояниях ее коллег.

Ученым известно множество способов запутать частицы. Простейшим примером возникновения пары запутанных фотонов является случай, когда они испущены одним источником в результате некоторого физического процесса. На эту роль подходит эффект появления двух квантов света при поглощении другого кванта особым кристаллом, известный как спонтанное параметрическое рассеяние.

В рамках работы израильские ученые оттолкнулись от результатов исследований, в которых два фотона запутали не напрямую, а косвенным путем. Помимо непосредственного воздействия на фотоны 1 и 2 можно сначала запутать между собой пару 1 и 3, а также пару 2 и 4 - после чего направить частицы 3 и 4 на детектор, определяющий их состояние. Такая операция давно известна, доказано то, что она приводит к запутыванию фотонов 1 и 2, но ученые внесли в нее радикальное изменение: в их статье описывается несколько иная схема опыта.

Исследователи сначала создали пару фотонов 1 и 2. Затем измерялась поляризация фотона 1, который при этом прекращал свое существование и только потом создавалась пара фотонов 3 и 4. Фотоны 2 и 3 (уцелевший представитель первой пары и один из представителей пары, созданной во вторую очередь) попадали в детектор и далее срабатывал тот же механизм, что в опыте с двумя целыми парами. Фотон 4 запутывался с фотоном 1, хотя того уже и не существовало.

Для определения того, что фотон 4 с чем-то запутан, ученые измеряли поляризацию обеих частиц (у первого фотона это происходило в момент его поглощения) и потому имели полную информацию об их состоянии. Как именно интерпретировать подобное запутывание с несуществующей частицей, вопрос уже более сложный и относится к фундаментальным проблемам квантовой механики - сами ученые ответа на него не дают.

Открытие нового эффекта, как поясняют его авторы, может представлять интерес не только для теоретиков, хотя опрошенный ScienceNow физик Антон Цейлингер из университета Вены уже и назвал ее «выводящей квантовую механику за пределы привычных представлений о времени и пространстве». В квантовых компьютерах и линиях связи запутанные фотоны приходится какое-то время сохранять для дальнейших манипуляций и это отдельная техническая проблема. Если будет найден способ избавиться от необходимости хранить частицы, которые в принципе нельзя остановить на месте, это может упростить конструирование устройств, использующих в своей работе принцип квантового запутывания. LENTA.RU

Антиматерия соскочила с весов

Пытаясь понять, обладает ли антивещество отрицательной массой, физики Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) поставили эксперимент с антиводородом. Результаты эксперимента вопроса не прояснили http://www.gazeta.ru/science/2013/04/30_a_5286309.shtml

Фрактал Вселенной

Специалисты по космологии давно пытаются реконструировать полную историю Вселенной, имея всего несколько проверенных отправных точек для своих исследований. Одна из них — распределение материи, формировавшееся силами гравитации и расширением пространства на протяжении примерно 14 миллиардов лет.

Распределение материи во Вселенной стало предметом оживлённых дебатов: равномерно ли оно, или наш космос состоит из отдельных образований, структурированных по иерархическому принципу — подобно фракталам. Анализ данных о примерно миллионе галактик предполагает, что фрактальное устройство вполне возможно, хотя до сих пор нет общепринятых теорий, которые могли бы его объяснить.

Две точки зрения

Почти все физики согласны в том, что в относительно малых масштабах распределение материи подобно фракталу: тысячи звёзд сгруппированы в галактики, галактики формируют кластеры, а кластеры образуют суперкластеры.

Но сохраняется ли этот принцип при больших масштабах? Сегодня большинство физиков склоняется к тому, что организация материи по принципу «матрёшки» на определённом этапе заканчивается, и в большом масштабе Вселенная оказывается однородной.

Однако небольшая группа физиков из Италии, включая Франческо Лабини и Лучано Пьетронеро, считают, что имеющиеся данные говорят о другом: большая часть Вселенной устроена как фрактал. По крайней мере, до тех пределов, которые поддаются нашему наблюдению.

3D-карты

Лучшие на сегодня данные, позволяющие оценить распределение галактик, мы получаем благодаря проекту «Sloan Digital Sky Survey» (SDSS), который занимается конструированием самой большой 3D-карты Вселенной. В законченном виде эта карта отразит положение примерно миллиона галактик и квазаров.

Когда были опубликованы первые данные проекта «SDSS», американские физики, проанализировав 55 тысяч светящихся красных галактик, предположили, что фрактальное устройство ограничивается масштабами в 200 миллионов световых лет.

Но итальянских учёных это не убедило. Они уверены, что этот предел – всего лишь иллюзия, вызванная недостатком статистических данных, и окончательный вывод можно сделать, только имея более масштабную карту для анализа. В настоящий момент проект «SDSS» содержит информацию о примерно 800 тысячах галактик и 100 тысячах квазаров, но и этого пока недостаточно.

В больших масштабах

В своей недавней статье, написанной совместно c физиками Санкт-Петербургского государственного университета, Лабини и Пьетронеро приводят свежие данные о том, что галактики проявляют фрактальные свойства вплоть до пределов в 100 миллионов световых лет.

По их утверждению, даже если Вселенная в определенной точке становится однородной, то только на отрезке в 300 миллионов световых лет в диаметре. Но даже при этом масштабе всё ещё наблюдаются колебания в распределении материи — скопления перемежаются пустотами. Большинство космологов считают эти колебания незначительными, подобно крошечным волнам на поверхности моря, однако Лабини с коллегами сравнивают их с цунами.

Модели всё ещё нет

Сохранение фрактального принципа распределения материи даже при таких огромных масштабах ставит под сомнение стандартные модели космологии. Согласно общепринятой истории космической эволюции прошло ещё недостаточно времени с момента Большого взрыва, чтобы силы гравитации могли выстроить такие крупные структуры.

Более того, предположение, что материя во Вселенной распределена однородно, позволяло космологам моделировать Вселенную, основываясь лишь на Общей теории относительности Эйнштейна, задающей зависимость распределения материи от формы пространства.

Смоделировать фрактальную Вселенную с помощью ОТО теоретически возможно, но на практике модель эта будет неизмеримо сложной. Так что согласиться с предположением о фрактальном устройстве Вселенной для физиков означает остаться без рабочей космологической модели.

Реликтовое излучение

В поддержку гипотезы об однородности Вселенной космологи также упоминают равномерность распределения реликтового электромагнитного излучения, существующего с момента рождения Вселенной. Многочисленные исследования, отражающие данные о фоновой космической радиации, рентгеновском излучении и радиогалактиках подтверждают, что на ранних этапах своего развития Вселенная была практически однородной. И если эти данные противоречат результатам оптических наблюдений, то этому можно найти достаточно объяснений, не прибегая к теории фрактальной Вселенной.

Оптическая иллюзия

Но сделать заключение о распределении материи только по реликтовому излучению совсем не просто. Имеющиеся результаты попыток картографировать его распределение – это проекции на плоскость, так что возможно такая равномерность возникает именно благодаря особенностям переноса реального пространства на плоскую карту. То же самое касается и фонового рентгеновского излучения, которое также кажется однородным в двумерной проекции. И, наконец, использовать радиогалактики также затруднительно, поскольку сложно измерить расстояние между ними достаточно точно, чтобы отобразить их расположение на 3D-карте.

Так что же может производить такую фрактальную структуру, которую обнаруживают некоторые исследования? Наблюдение отдельных скоплений вполне могут быть результатом оптической иллюзии, известной как эффект «бычьего глаза».

Он возникает потому, что близлежащие галактики стремятся друг к другу в силу общего гравитационного притяжения, не смотря на то, что пространство само по себе расширяется. Это движение может усиливатьвидимые скопления материи, наблюдаемые в исследованиях, подобных проекту SDSS, особенно потому, что подобные исследования построены на измерении скорости вращения галактик на основании расчёта их расстояния от Земли.

Команда Лабини утверждает, что эффект «бычьего глаза» имеет значение только при очень малых масштабах, примерно 16 миллионов световых лет и меньше, и не влияет на скопления при больших расстояниях.

Ставки сделаны

Так каковы же будут последствия, если подтвердится, что Вселенная действительно имеет фрактальную структуру? Кроме радикального пересмотра законов и истории формирования Вселенной, это будет иметь и некоторые более приземлённые последствия.

Больше десяти лет назад Лабини и Пьетронеро заключили пари с физиком Марком Дэвисом из Калифорнийского университета. Если распределение галактик окажется фрактальным при масштабах примерно в 50 миллионов световых лет, Дэвис будет должен итальянским коллегам ящик калифорнийского вина. Если же фрактальный принцип нарушится при масштабах менее 50 миллионов световых лет, тогда уже Дэвису причитается ящик итальянского.

---

Источник: http://gearmix.ru/archives/1473

Tantalizing New Clues Into the Mysteries of Dark Matter

by Dennis Overbye

The dark side of the universe is whispering, but scientists are still not sure what it is saying.

The Alpha Magnetic Spectrometer under construction in 2010 at the European Organization for Nuclear Research in Geneva. (Fred Merz for The New York Times)

Samuel Ting, a professor at the Massachusetts Institute of Technology and a Nobel laureate particle physicist, said Wednesday that his $1.6 billion cosmic ray experiment on the International Space Station had found evidence of  “new physical phenomena” that could represent dark matter, the mysterious stuff that serves as the gravitational foundation for galaxies and whose identification would rewrite some of the laws of physics.

The results, he said, confirmed previous reports that local interstellar space is crackling with an unexplained abundance of high energy particles, especially positrons, the antimatter version of the familiar electrons that comprise electricity and chemistry. They could be colliding particles of dark matter. Or they could be could be coming from previously undiscovered pulsars or other astronomical monsters, throwing off wild winds of radiation.

The tantalizing news is that even with the new data, physicists cannot tell yet which is the right answer, but they are encouraged that they soon might be able to.

“I don’t think it makes you believe it must be dark matter, nor do I think it makes you believe it cannot be,” said Neal Weiner, a particle theorist at New York University.

The good news is that the Alpha Magnetic Spectrometer, as Dr. Ting’s instrument is called, is only two years into what could be a 20-year voyage on the space station, and is working brilliantly. “Over the coming months, A.M.S. will be able to tell us conclusively whether these positrons are a signal for dark matter, or whether they have some other origin,” Dr. Ting told an audience of physicists at CERN, the European Organization for Nuclear Research.

Read the whole article on NY Times Science

Щепотка бесконечности

Пузыри Ферми

Изображение: NASA

За прошедший год только в архив электронных препринтов arXiv.org было выложено почти 12 тысяч научных статей по астрономической тематике, то есть ученые писали по несколько десятков статей ежедневно. «Лента.ру» начинает регулярный обзор свежих и интересных астрономических препринтов. Главная его цель — без претензии на объективность показать читателям, что происходит в науке прямо сейчас.

«Пузыри Ферми» и темная материя

Американские физики заявили о том, что рентгеновское свечение так называемых «Пузырей Ферми», вопреки наиболее распространенной среди ученых версии, может объясняться не только рассеянием света Галактики на входящих в их состав быстрых частицах. Оказалось, что свет от «нижней» части этих пузырей имеет другие спектральные характеристики и соответствует скорее процессу аннигиляции неких тяжелых частиц, которые, возможно, и составляют загадочную темную материю.

«Гигантские пузыри Ферми» были открыты два года назад с помощью космического рентгеновского телескопа имени Энрико Ферми — свое название они также получили в честь знаменитого итальяно-американского физика. Пузыри представляют собой две области слабого рентгеновского свечения, лежащие над плоскостью нашей Галактики и имеющие форму надутых воздушных шаров. Размеры каждой из них оценивают в 25 тысяч световых лет.

Изучению «пузырей Ферми» посвящены уже десятки опубликованных научных работ. В целом астрономы считают их результатом потока плазмы, идущего из центральной области нашей Галактики. Рентгеновское же свечение «пузырей» определяется рассеянием «межзвездных» фотонов на высокоэнергетичных частицах (электронах, протонах), из которых эти «пузыри» состоят. Такая гипотеза подтверждалась и видом соответствующего рентгеновского спектра. Во всяком случае так можно было объяснить большую часть излучения поверхности пузырей.

Распределение темной материи

Иллюстрация: mppmu.mpg.de

Теперь же американские физики — авторы последней работы — установили (на основании наблюдений все на том же телескопе имени Ферми), что свечение «основания» пузырей — более близкой к диску Галактики области — имеет несколько другие спектральные характеристики. Причем такие, как если бы их спектр обуславливался постоянной аннигиляцией невидимых, в 10-50 раз более массивных, чем протоны, частиц. Таким образом, речь идет об экспериментальном подтверждении возможного существования тяжелых частиц неизвестного нам ранее типа.

Но где имеются тяжелые частицы, там должна быть и дополнительная масса. А раз они никак себя больше не проявляют, то в других областях Галактики они должны быть «темными», что автоматически делает их кандидатами в частицы загадочной темной материи — невидимой массы неизвестной природы, существование которой приходится постулировать для того, чтобы объяснить особенности движения звезд в Галактике. Впрочем, гипотеза о существовании темной материи полезна не только для физики галактик, но и для космологии в целом.

Таким образом, возможно, что американские физики обнаружили, пусть и косвенно, частицы, которые и составляют темную материю. А это можно считать очень значительным астрофизическим результатом. Впрочем, авторы не настаивают на том, что наличие загадочных частиц — единственный способ объяснить результаты их наблюдений. Они предлагают и другое объяснение наблюдаемой особенности спектра «пузырей Ферми»: наличие большого количества миллисекундных пульсаров в этой области Галактики. Эти объекты — компактные нейтронные звезды, образовавшиеся во время вспышек сверхновых. Обладая сильными магнитными и электрическими полями на поверхности, они являются источником ветра из релятивистских частиц, которые и «портят», пусть и слабо, спектр излучения «пузырей».

Однако эта гипотеза нуждается в дополнительном объяснении того, откуда в центральной области Галактики могло взяться столь большое количество действующих миллисекундных пульсаров. Простым-то пульсаром становится далеко не каждая нейтронная звезда, а миллисекундные пульсары еще более редки — они чаще всего получаются из объектов, родившихся не изолированно, а в двойной системе. Надо сказать, что американские физики не вдаются в подробности этой гипотезы. И их можно понять: возможное обнаружение следов частиц темной материи является куда более заманчивой перспективой, чем «прозаичные» нейтронные звезды. LENTA.RU

Planck's 'almost perfect' universe could point to new physics

The map of the oldest light in the universe shows intriguing deviations from expectations. Will these oddities be explained away or are we at the beginning of a revolution in cosmology?

The map of the cosmic microwave background radiation revealed today by the European Space Agency's Planck mission. Photograph: ESA and the Planck Collaboration

Today is a great day. The European Space Agency has released the most precise map so far of the oldest light in the universe. The best news is that is reveals an 'almost perfect universe'. By that they mean it almost conforms to expectations – but not quite.

While the basic 'big bang' picture of our universe's birth is confirmed, the unexplained aspects of the data are where the real excitement lies because these could be signposts to new physics. At the press conference this morning, Professor George Efstathiou, University of Cambridge, UK said that the Planck data showed that, 'Cosmology is not finished.'

In an accompanying video, he even speculates that some of the strange data could be evidence of physics that took place before the big bang. This explosive origin has traditionally been thought to be the beginning of space and time.

Although now called the big bang, Belgian cosmologist Georges Lemaître, who was the first to mathematically investigate the origin of the universe, wistfully referred to it as the 'day without yesterday'. If Efstathiou is right, however, the big bang did have a yesterday after all.

ESA say that this new map of the cosmic microwave background 'challenges some of the fundamental principles of the big bang theory.' It does this by confirming the existence of features in the map that cannot be explained by prevailing theory.

The first strange feature is that the universe's temperature appears to fluctuate more on one side of the universe than the other.

Secondly, there is definitely a 'cold spot' in the universe that extends over an area of space much larger than expected.

A third challenge is that the large scale temperature fluctuations across the entire universe are smaller than those expected from the fluctuations measured at smaller scales.

The theory that these observations challenge is called inflation. It postulates that a tiny fraction of a second after the big bang, the universe underwent a sudden catastrophic expansion. This behaviour was invented to explain why the temperature of the microwave background appeared, at the time, to be so uniform across the entire universe, and on all cosmic scales.

Now, Planck is showing that the temperature, and the fluctuations in it, are not as uniform as thought.

Another problem with inflation is that it lacks a theoretical underpinning from fundamental physics. In other words, no one can find a convincing explanation for why the universe would suddenly expand just after the big bang.

The anomalies in the Planck map announced today could be the extra clues that are needed to urge inflation into a fully fledged theory, or they could provide nails for its coffin.

Time will tell, and either way, we will have made progress.

More data is expected from Planck in about a year's time.

• Stuart Clark is the author of The Day Without Yesterday (Polygon). guardian.co.uk

Cosmos may be 'inherently unstable'

Оригинал взят у в Cosmos may be 'inherently unstable'

By Jonathan Amos Science correspondent, BBC News, Boston Scientists say they may be able to determine the eventual fate of the cosmos as they probe the properties of the Higgs boson.

A concept known as vacuum instability could result, billions of years from now, in a new universe opening up in the present one and replacing it.

It all depends on some precise numbers related to the Higgs that researchers are currently trying to pin down.

A "Higgs-like" particle was first seen at the Large Hadron Collider last year.

Associated with an energy field that pervades all space, the boson helps explain the existence of mass in the cosmos. In other words, it underpins the workings of all the matter we see around us.

Since detecting the particle in their accelerator experiments, researchers at the Geneva lab and at related institutions around the world have begun to theorise on the Higgs' implications for physics.

One idea that it throws up is the possibility of a cyclical universe, in which every so often all of space is renewed.

"It turns out there's a calculation you can do in our Standard Model of particle physics, once you know the mass of the Higgs boson," explained Dr Joseph Lykken.

"If you use all the physics we know now, and you do this straightforward calculation - it's bad news.

"What happens is you get just a quantum fluctuation that makes a tiny bubble of the vacuum the Universe really wants to be in. And because it's a lower-energy state, this bubble will then expand, basically at the speed of light, and sweep everything before it," the Fermi National Accelerator Laboratory theoretician told BBC News.

It was not something we need worry about, he said. The Sun and the Earth will be long gone by this time.

Dr Lykken was speaking here in Boston at the annual meeting of the American Association for the Advancement of Science (AAAS).

He was participating in a session that had been organised to provide an update on the Higgs investigation.Two-year hiatus

The boson was spotted in the wreckage resulting from proton particle collisions in the LHC's giant accelerator ring.

Data gathered by two independent detectors observing this subatomic debris determined the mass of the Higgs to be about 126 gigaelectronvolts (GeV).

That was fascinating, said Prof Chris Hill of Ohio State University, because the number was right in the region where the instability problem became relevant.

"Before we knew, the Higgs could have been any mass over a very wide range. And what's amazing to me is that out of all those possible masses from 114 to several hundred GeV, it's landed at 126-ish where it's right on the critical line, and now we have to measure it more precisely to find the fate of the Universe," he said. continue to source article at bbc.co.uk