Наука - новости

[skroznik]

Через несколько дней новый марсоход должен будет совершить посадку на Марс по новой, совершенно уникальной схеме:

[skroznik]

Марсоход Curiosity совершит посадку на Красную планету уже через сутки

5 августа 2012

Американский космический аппарат Mars Science Laboratory ("Марсианская научная лаборатория", MSL) с марсоходом Curiosity совершит посадку на Красную планету менее чем через сутки. Сигнал о посадке достигнет Земли в 09:31 мск понедельника, 6 августа, сообщает NASA. На самом деле MSL достигнет поверхности Марса на 14 минут раньше: это время требуется радиоволнам, чтобы преодолеть расстояние между космическим кораблем и Землей.

Марсоход Curiosity должен высадиться в районе кратера Гейла. Цель аппарата – поиск следов жизни на Марсе и изучение геологической истории планеты. Кроме того, он должен ответить на вопрос о наличии значительных запасов воды на этой планете и таким образом оценить перспективы ее будущей колонизации человечеством.

Одним из инструментов для этих исследований является детектор отраженных от марсианской поверхности нейтронов (ДАН) разработки Института космических исследований РАН, а источником нейтронов – миниатюрный генератор разработки ФГУП "ВНИИА им. Н.Л.Духова", входящего в "Росатом".

Марсоход размером с легковой автомобиль за несколько месяцев преодолеет на поверхности планеты до 20 км, проведет комплексный анализ марсианских почв и компонентов атмосферы. Срок службы Curiosity на Марсе составит 1 марсианский год (686 земных дней).

Curiosity – марсоход нового поколения, который представляет собой автономную химическую лабораторию. Отметим, что Curiosity – не единственный марсианский ровер NASA на Красной планете. С 2004г. ее просторы бороздит марсоход Opportunity. Связь с его аппаратом-близнецом Spirit была потеряна в 2010г.

[skroznik]

[skroznik]

Аппарат NASA Curiosity совершил успешную посадку на Марс

— 06.08.2012 09:45 —

Марсоход Curiosity (англ. «Любопытство») после восьми месяцев полета совершил успешную посадку на Марс в районе кратера Гейла и передал на землю первые снимки. Об этом сообщается на сайте NASA.

В агентстве посадку Curiosity на Марс описывали как, возможно, самую сложную за всю историю непилотируемых космических полетов. Ее успешное завершение в NASA, которое сейчас переживает не лучшие времена из-за сокращения бюджета агентства и недавнего закрытия программы космических челноков, в Центре управления полетами встретили аплодисментами и слезами радости, сообщает Reuters.

Curiosity, работа над которым обошлась в $2,5 млрд и который является первым астробиологическим зондом NASA с эпохи «Викингов» в 1970-е, в течение двух лет будет проводить на Марсе геологические и геохимические исследования, изучать атмосферу и климат планеты, а также искать на ней органические вещества, воду и ее следы. Данные, полученные аппаратом, помогут ученым определить, был ли Марс когда-либо пригоден для жизни и есть ли на нем места, пригодные для жизни, сейчас.



Первая фотография с Марса, на которой можно увидеть тень Curiosity в кратере Гейла:

Одним из инструментов для этих исследований является детектор отраженных от марсианской поверхности нейтронов (ДАН) разработки Института космических исследований РАН, а источником нейтронов – миниатюрный генератор разработки ФГУП ВНИИА им.Н.Л.Духова, входящего в "Росатом".

Марсоход размером с легковой автомобиль за несколько месяцев преодолеет на поверхности планеты до 20 км, проведет комплексный анализ марсианских почв и компонентов атмосферы. Срок службы Curiosity на Марсе составит 1 марсианский год (686 земных дней).

[skroznik]

Марсоходы:

Sojourner (масса 10,5 кг)
__________________________________________________ _



марсоходы-близнецы Spirit и Opportunity (масса 185 кг. Для сравнения - масса американского лунного ровера - лунохода для дыух людей была около 210 кг.)
__________________________________________________ _



и марсоход Curiosity (масса аппарата около 900 кг).
__________________________________________________ _

И все три марсохода для сравнения размеров

[skroznik]

MRO запечатлел марсоход Curiosity во время спуска

Аппарат Mars Reconnaissance Orbiter запечатлел марсоход Curiosity в тот момент, когда тот спускался на парашюте к поверхности Марса. На фотографии видно, что Curiosity, также именуемый как Mars Science Laboratory (MSL), все еще соединен с 16-метровым парашютом и находится в защитной капсуле. Несколько мгновений позже, и аппарат совершит посадку в районе кратера Гейла, как и было запланировано.

Напомним, это не первый подобный снимок межпланетной станции MRO. В 2008 году аппарату удалось сфотографировать спуск посадочного модуля Phoenix.

Последняя фотография была сделана спустя 6 минут поле того, как Curiosity вошел в атмосферу Марса. Аппарат MRO в этот момент находился от MSL на расстоянии 340 км.

Камера HiRISE, установленная на MRO, за все время своего пребывания на орбите сделала более 120 изображений кратера Гейла, однако, по мнению представителей NASA, последняя фотография является, пожалуй, самой запоминающейся.

[skroznik]

Первая цветная панорама с нового марсохода высокого качества.

[skroznik]

Кьюриозити на Марсе: стена кратера Гейл (15.08.2012)

На этой фото показан марсианский пейзаж, искусственно раскрашенный в приблизительные цвета, которые вы могли бы увидеть, окажись всё это на Земле. Такие фото с Марса, с искусственно выставленным балансом белого, используются учёными-планетологами для поиска на изображениях скал и других образований, похожих на Земные. На фото с высоким разрешением вы можете увидеть далёкую стену кратера Гейл. Снимок сделан марсоходом "Кьюриозити". На соответствующей фото в натуральных цветах можно увидеть, как это выглядит на самом деле на Марсе. Автоматический марсоход Кьюриозити продолжает проверять работоспособность всех своих систем и получать новое программное обеспечение с Земли. Затем он отправится в путешествие по Марсу, изучать пейзаж, который похож на покрытое необычными слоями вещества высохшее русло реки.

[skroznik]

Марсоход NASA устроил на Красной планете "лазерное шоу"

20 августа 2012



Марсоход Curiosity ("Любопытство") Национального управления по воздухоплаванию и исследованию космического пространства США (NASA) успешно испытал бортовую лазерную пушку, предназначенную для испарения породы с целью изучения ее химического состава.

Целью аппарата стал камень в кратере Гейла, марсоход сделал 30 выстрелов с периодичностью в 10 секунд. Устройству удалось прожечь небольшое углубление на поверхности камня, сообщает пресс-служба NASA.

Датчики марсохода зафиксировали излучение "пара", собрав необходимую для исследования информацию.

Начиная с момента посадки, состоявшейся две недели назад, специалисты NASA регулярно тестируют аппаратуру 6-колесного модуля. Ожидается, что за время своей инопланетной экспедиции марсоход еще не раз будет обстреливать горные породы из лазерной пушки и передавать полученные результаты исследований на Землю. Ключевой задачей спутника является обнаружение на планете следов воды и ответ на вопрос, существовали ли когда-нибудь на Марсе жизненные формы.

"Первые шаги" аппарат должен сделать в течение ближайших дней, после чего инженеры NASA завершат проверку двигательных систем. Ранее специалисты успешно испытали цветную камеру аппарата, спектрометр APXS, химический анализатор CheMin.

На создание марсохода ушло восемь лет, путешествие на Марс заняло восемь месяцев. После приземления в кратере Гейла аппарат передал на Землю первый цветной снимок планеты. По словам создателей устройства, марсоход полностью оправдал вложения. Стоимость проекта составила $2,5 млрд, срок службы мобильной лаборатории - один марсианский год (686 земных дней).

[skroznik]

РАН хочет реформировать науку

Станет ли РАН локомотивом реформирования науки в России

20.08.2012

На этот ключевой для нашей науки вопрос отвечали на пресс-конференции вице-президент РАН Валерий Козлов и заместитель Главного ученого секретаря РАН Владимир Иванов. Они сразу подчеркнули, что нельзя науку рассматривать в отрыве от глобальных проблем экономики. Ведь у нашего бизнеса на исследования нет спроса, отсюда нищенское положение наших ученых. В ведущих странах государство финансирует максимум 30 процентов исследований, а 70 - доля бизнеса. У нас соотношение 80:20. При такой пирамиде, что толку, если дела в нашей науке будут блестящи. Но не только в этом проблемы науки.

- Вообще ситуация довольно странная, - сказал корреспонденту "РГ" Владимир Иванов. - Перед страной стоит много сложнейших задач, но их пытаются решать без науки. Например, ее роль в "Стратегии 2020" мизерна, а РАН там практически нет. Пока реальные ученые не займутся реальными проблемами, мы будем иметь то, что имеем.

Что же предлагают академики? Первое - скоординировать под эгидой РАН всю фундаментальную науку, которая есть в разных академиях, в вузах, в отраслевой науке, министерствах и.т.д. Сейчас эти работы ведутся раздроблено, нередко дублируют друг друга. Надо, чтобы все ученые работали в ансамбле. Увы, сейчас некоторые высокие чиновники противопоставляют вузы и академии, чего нет ни в одной стране мира.

Второе - создать Центр прогноза научно-технологического развития страны. По словам Иванова, сейчас такой работой занимаются многие ведомства, но только не РАН. Такая же парадоксальная ситуация и с экспертизой крупных народнохозяйственных проектов. И самая главное: наука и, прежде всего, РАН ждет от государства крупных задач, равноценных ядерному или космическому проекту. Проектов, которые равноценны масштабу и возможностям академии.

Способна ли РАН вытянуть эти задачи? Ведь в ее адрес раздается немало упреков, скажем, в неэффективности? Раздаются голоса, что РАН надо лишить самостоятельного финансирования и даже превратить в своеобразный клуб ученых. Валерий Козлов заявил, что по эффективности наша наука, где львиная доля принадлежит РАН, находится на четвертом месте в мире, уступая, в частности, Канаде и Индии. Такая оценка сделана, исходя из затрат на науку и ее отдачи: "Сколько вложим, столько и получим. Чудес не бывает".

Козлов отметил, что финансирование науки в стране в целом растет, однако этот рост почти не касается РАН. По его мнению, в действиях чиновников нет логики. Скажем, на приглашение одного зарубежного ученого в вуз страны они выделили по 50 миллионов рублей в год, в то время как ведущий в России Математический институт им. Стеклова, где работают ученые с мировым именем, имеет бюджет 70 миллионов рублей. Где логика, спрашивает Козлов? Он также предлагает оценить результаты созданных Федеральных университетов, посмотреть, что они сделали в науке. "Мы не видим серьезных сдвигов, - сказал Козлов. - А ведь в эти университеты вложены огромные деньги". Странная ситуация складывается и во взаимоотношениях РАН с Минорбрнауки, которое недавно заявило о создании "дорожной карты" российской науки. Но как отметил, Владимир Иванов, академию к этой работе даже не привлекали.

[skroznik]

NASA отправит еще одну миссию на Марс через 4 года

21 августа 2012

NASA планирует еще одну миссию на Марс в 2016г. Об этом сообщается в пресс-релизе аэрокосмического агентства.

Новый аппарат, который отправят на Красную планету, будет называться Insight ("Проницательность") и, в отличие от подвижной научной лаборатории Curiosity, представит собой стационарную лабораторию. Ее основной задачей станет бурение отверстия в марсианской коре и исследование глубинных пород.

По словам ученых, это не только поможет найти ответ на вопрос о возможности существования форм жизни на Марсе в прошлом, но и расскажет, как формировалась твердая поверхность планет, в том числе Земли. Кроме того, аппарат будет наблюдать за движением тектонических плит на Марсе и фиксировать "марсотрясения".

Стоимость проекта составит 425 млн долл. В работе примут участие Великобритания, Франция и Германия.

Напомним, недавно марсоход NASA Curiosity ("Любопытство"), после восьмимесячного полета с Земли успешно совершивший посадку в кратере Гейла в южной части Красной планеты, передал на землю первый цветной снимок Марса. Мобильная лаборатория стоимостью 2,5 млрд долл. предназначена для поиска следов жизни на Марсе. Срок службы Curiosity на Марсе составит 1 марсианский год (686 земных дней).

[skroznik]

Как выглядит сверхкритическая аккреция вещества на черные дыры

22.08.2012

По материалам АНИ "ФИАН-информ"

Во время Гинзбурговской конференции по физике, прошедшей в ФИАНе с 28 мая по 2 июня, заведующий Лабораторией физики звезд Специальной астрофизической обсерватории РАН (САО РАН), доктор физ.-мат. наук Сергей Фабрика рассказал о сверхкритических режимах аккреции вещества на черные дыры и представил результаты последних наблюдений, проделанных им и его коллегами.

Впервые теоретическое описание структуры сверхкритического аккреционного диска дали советские ученые Н.И. Шакура и Р.А. Сюняев в 1973 году. Такие диски формируются вокруг черных дыр или нейтронных звезд при темпе аккреции вещества на черную дыру, превышающем критическое значение. Это критическое значение называется пределом Эддингтона.

"Эддингтоновский предел - это такое значение светимости звезды, при которой сила ее светового давления на электроны равна силе притяжения звездой протонов. Это возможно только когда плазма полностью ионизована и оптически тонкая", - рассказывает Сергей Фабрика.



Другими словами, при сверхкритической аккреции сила давления излучения превышает силу гравитационного притяжения, поэтому из окружающих черную дыру областей мощным потоком истекает вещество. И это можно наблюдать.

Сверхкритический режим может наступить как в случае черных дыр звездных масс (то есть, черных дыр, возникающих в процессе эволюции звезд) в тесных двойных системах при темпах аккреции, превышающих 10^{-7} масс Солнца в год, так и в случае сверхмассивных черных дыр в квазарах и ядрах галактик при темпе аккреции большем 1 - 10 масс Солнца в год. В нашей Галактике сверхкритический режим аккреции могут показывать так называемые рентгеновские транзиенты (микроквазары), но только в течение нескольких часов - во время максимума вспышки. Известен только один объект, который имеет постоянный сверхкритический аккреционный диск - это двойная система SS433, состоящая из сверхгиганта массой в 20 масс Солнца и черной дыры массой около 10 масс Солнца.



Рисунок 1. Художественное представление системы SS433.
Сверхкритический аккреционный диск SS433 порождает мощный ветер, истекающий со скоростью несколько тысяч км/с, а перпендикулярно диску выбрасываются две узкие коллимированные струи вещества со скоростью 80000 км/с.

Эта система была найдена еще в 1979 году, однако ее исследованием продолжают заниматься до сих пор. Одна из ведущих групп ученых в этой области работает в САО РАН под руководством Сергея Фабрики:

"Сверхкритический аккреционый диск SS433 прецессирует, поэтому мы можем его изучать с различных направлений относительно оси диска. Исследуя диск SS433 с помощью российского телескопа БТА и других крупнейших мировых телескопов, мы с коллегами изучали канал в этом диске. В канале формируется излучение и ветер. Объекты типа SS433 в других галактиках ориентированы для нас случайно. В канале происходит геометрическая коллимация излучения. Те объекты, у которых мы увидим дно канала, будут выглядеть чрезвычайно яркими рентгеновскими источниками".

Впервые мощные рентгеновские источники в других галактиках были открыты в 2000 году с помощью рентгеновской обсерватории Чандра (Chandra X-ray Observatory, NASA). Они были названы ультраяркими рентгеновскими источниками. Это объекты, рентгеновская светимость которых в сотни и тысячи раз больше, чем светимость самых ярких черных дыр нашей Галактики.

"Существует несколько интерпретаций ультраярких рентгеновских источников. Одна из них связана с тем, что первые звезды, которые образовывались сразу после рождения нашей Вселенной, на красных смещениях z=15-25, должны были быть очень массивными - сотни и тысячи масс Солнца. Соответственно, они должны производить примерно такие же массивные черные дыры массой сотни - тысячи масс Солнца. Это так называемые черные дыры промежуточных масс; позднее они будут захвачены образующимися галактиками, попадут в скопления звезд и захватят звезды. И теперь мы видим их как очень яркие рентгеновские источники. Другая интерпретация, которая сейчас мне представляется единственно верной, заключается в том, что ультраяркие рентгеновские источники - это черные дыры типа SS433, и мы их наблюдаем близко к оси аккреционного диска", - объясняет Сергей.



Рисунок 2. Туманность, связанная с ультраярким рентгеновским источником в галактике Holmberg IX. Кружком показано место локализации рентгеновского источника. Изображение туманности получено проф. M. Pakull на японском 8-м телескопе Subaru. Спектры звезд в рентгеновском боксе ошибок были получены группой С. Фабрики на том же телескопе.



Рисунок 3. Сталкивающиеся галактики Antennae (NGC 4038 и NGC 4039). Справа показано изображение галактик, сделанное с помощью телескопа Хаббл (Hubble Space Telescope), это же изображение показано зеленым контуром слева.



Рисунок 4. Ультраяркие рентгеновские источники в галактиках Antennae (Hubble Space Telescope).
Зелеными кружками показаны места локализации рентгеновских источников, палочки указывают на скопления звезд (где это не очевидно), связанные с ультраяркими рентгеновскими источниками. Спектры этих скоплений получены с помощью телескопа VLT (European South Observatory, Paranal, Chile).

Группа ученых под руководством Сергея Фабрики получила спектры оптических звезд, находящихся в местах локализации нескольких ультраярких рентгеновких источников. Из них они выбрали самые яркие объекты, то есть самые близкие, находящиеся на расстояниях не более 10 Мегапарсек. Даже для самых ярких звезд - оптических двойников ультраярких источников - потребовался один из самых крупных телескопов мира - 8-метровый японский телескоп Subaru. Оказалось, что все эти звезды имеют одинаковый спектр, причем такой же, как у известного SS433. Этот спектр сформирован в горячем ветре, температура газа около 50000 К, а скорость ветра - около 1000 км/с.

"Нам удалось доказать, - делится Сергей Фабрика, - что ультраяркие рентгеновские источники принадлежат молодому и массивному звездному населению. Наблюдения взаимодействующих галактик Антенны, в которых много молодых звезд и ультраярких источников, показали, что такие источники связаны с молодыми звездными скоплениями. Возраст скоплений не более 5 миллионов лет, соответственно, массы звезд-предшественников ультраярких источников были более 50-70 масс Солнца".

Эти наблюдения показывают, что ультраяркие рентгеновские источники - есть ни что иное, как сверхкритические аккреционные диски вокруг черных дыр звездных масс в двойных системах. Но помимо этого, они также подтверждают современные представления о формировании скоплений звезд. При коллапсе ядра скопления самые массивные звезды опускаются в центр, на относительно короткое время около 1 млн лет, при этом в скоплении формируется плотное ядро из массивных звезд. В результате тройных или четвертных столкновений скопление выбрасывает двойные массивные звезды, и вокруг него формируется ореол из молодых массивных звезд. Далее эти звезды вспыхивают как сверхновые, производят релятивистские звезды, которые наблюдаются с Земли как яркие (и ультраяркие) рентгеновские источники. Именно по этой причине часть источников находятся не в скоплениях, а на расстоянии 100-300 парсек от скоплений (как на рисунке 4).

[skroznik]

Хиггсовский бозон - планы на будущее

16.07.12

Рис. 1. Одно из событий рождения хиггсовского бозона и его распада на два фотона, зарегистрированных детектором CMS. Изображение из доклада 4 июля

4 июля ЦЕРН объявил об открытии бозона Хиггса — частицы, которая играет ключевую роль в современной физике микромира и которую ученые искали почти полвека. На смену поискам теперь приходит всестороннее изучение хиггсовского бозона и попытки увидеть Новую физику в его свойствах.

4 июля 2012 года на специальном семинаре в ЦЕРНе были представлены новые данные по поиску хиггсовского бозона на Большом адронном коллайдере. Две главные коллаборации, работающие на Большом адронном коллайдере, ATLAS и CMS, показали, что намеки на бозон Хиггса, появившиеся в 2011 году, подтверждаются и данными 2012 года. Их совместный вывод таков: хиггсовский бозон можно считать открытым.

Простыми словами

Сообщения, касающиеся бозона Хиггса, регулярно появлялись в нашей ленте новостей, поэтому с предысторией вопроса лучше познакомиться там.

Значение хиггсовского бозона можно сформулировать в одном предложении: это частица — отголосок хиггсовского механизма, ключевого элемента всей Стандартной модели, современной теории устройства микромира. Его теоретически предсказали и начали искать на ускорителях почти полвека назад, но эти поиски до сих пор оставались безрезультатным. 4 июля эта полувековая эпопея подошла к концу: об открытии бозона Хиггса было объявлено в ЦЕРНе. Это открытие совсем не означает, что дело сделано и коллайдер можно закрывать. Напротив, самое интересное начинается только сейчас: на смену поискам пришла эра исследований свойств хиггсовского бозона.

Дело в том, что главная задача Большого адронного коллайдера — открыть Новую физику, некий пласт реальности, на котором базируется Стандартная модель, но который до сих пор оставался скрытым от нас. Большой адронный коллайдер имеет все шансы начать исследование этой грани нашего мира сразу по нескольким направлениям, и свойства хиггсовского бозона — одно из них. Поэтому бозон Хиггса «нужен» физикам не столько сам по себе, сколько как дверь, выводящая нас на новый уровень понимания мира. Можно ожидать, что в ближайшие пару десятилетий по мере накопления статистики Большой адронный коллайдер будет уточнять все доступные ему характеристики этой частицы, ограничивать фантазии физиков-теоретиков, и тем самым прояснять картину микромира.

Конечно, после объявления этого результата могу возникнуть резонные вопросы: точно ли этот бозон открыт? почему физики уверены, что это именно хиггсовский бозон, а не что-то иное? Эти вопросы обсуждаются ниже, а пока что достаточно сказать, что подавляющее большинство самих физиков уверены, что это действительно хиггсовский бозон — уж слишком хорошо его свойства напоминают предсказанные свойства бозона Хиггса.

Перед тем как приступать к подробному описанию данных, полезно сделать два очень общих замечания. Во-первых, это не просто рядовое открытие еще одной новой частицы (так, новых адронов в последние годы было открыто предостаточно, в том числе и на LHC). Это открытие по-настоящему нового типа материи. До этого физики имели дело лишь с частицами вещества (электроны, протоны и т. д.), либо с частицами —переносчиками взаимодействия, квантами силовых полей (фотоны, глюоны, тяжелые W- и Z-бозоны). Но хиггсовский бозон не является ни тем, ни другим; это «кусочек» хиггсовского поля, которое является совсем иной субстанцией и занимает совсем иное место в устройстве нашего мира.

Во-вторых, это один из редких примеров «открытия на кончике пера», то есть обнаружения нового свойства нашего мира сначала в теории, а затем экспериментально. В физике частиц теория, как правило, следует за экспериментом, объясняет полученные результаты. Очень редко происходит так, что вначале теоретики, опираясь на косвенные намеки и математическую стройность, конструируют совершенно новую теорию словно из ничего, и лишь затем в работу включаются экспериментаторы, доказывающие, что эта теория действительно относится к нашему миру. Вся Стандартная модель, и открытие хиггсовского бозона как завершающий ее элемент, как раз такого типа.

Новые данные LHC

Особенность квантового мира состоит в том, что в нем происходят все процессы, которые в принципе могут произойти, но только с разной вероятностью. Поэтому для того, чтобы заметить какой-то очень редкий процесс в столкновениях протонов, надо просто повторить столкновение в одинаковых условиях много раз, и тогда изредка оно будет идти тем путем (на языке физиков — по тому каналу), который физики хотят изучить. Конечно, на него наложится множество иных процессов (которые создают ненужный фон), и потому главная задача экспериментаторов — это не столько инициировать, сколько заметить нужный процесс.

Рождение хиггсовского бозона — процесс не слишком редкий, однако углядеть его следы среди прочих «осколков протонов» непросто. Пока статистики было мало, возможные проявления этого процесса тонули в фоне, были неотличимы от его флуктуаций. Однако по мере роста объема данных (который измеряется в обратных фемтобарнах, fb–1 и называется интегральной светимостью) флуктуации сглаживались, и в определенных областях по массе физики начали подозревать «руку» бозона Хиггса.

К концу 2011 года интегральная светимость, накопленная на каждом из двух главных детекторов Большой адронного коллайдера ATLAS и CMS, достигла примерно 5 fb^{–1}, уже довольно серьезной величины. Поскольку ожидаемое сечение рождения бозона Хиггса составляет десятки пикобарн, в этой статистике должна была скрываться примерно сотня тысяч событий с рождением и распадом хиггсовского бозона. 13 декабря 2011 года на семинаре в ЦЕРНе были представлены предварительные результаты обработки этих данных, которые явно указывали на то, что в районе 125 ГэВ происходит что-то интересное (см. подробности в новости ЦЕРН сообщает о первых намеках на обнаружение хиггсовского бозона). Статистической значимости обнаруженного тогда сигнала было недостаточно для заявления об открытии частицы, однако было ясно, что при двух-трехкратном увеличении статистики бозон Хиггса (если это, конечно, он, а не игра случая) должен будет проявиться во всей красе. Поэтому неудивительно, что в планах работы коллайдера в 2012 году появился ключевой пункт: обеспечить набор светимости, который позволит детекторам ATLAS и CMS независимо друг от друга открыть бозон Хиггса к концу 2012 года.

Говоря это, руководители ЦЕРНа перестраховались. В апреле-июне коллайдер работал практически идеально, так что к середине июня было накоплено еще 6 fb–1, то есть общая статистика выросла более чем вдвое. При этом работа в 2012 году велась на полной энергии протонных столкновений 8 ТэВ против 7 ТэВ в прошлом году. Повышение энергии протонов дополнительно повысило частоту рождения бозона Хиггса, поскольку сечение этого процесса заметно растет с увеличением энергии. Наконец, так называемый «look-elsewhere effect», который заметно снижал глобальную статистическую значимость хиггсовского сигнала полгода назад, должен был ослабеть в свете новых данных. Да и сами физики, работающие на LHC, набрались опыта и усовершенствовали методы анализа данных. Поэтому были все основания ожидать от церновского семинара действительно громких заявлений.

Каналы распада и их особенности

Хиггсовский бозон нестабилен и очень быстро распадается на другие частицы. Предпочтения, на что распадаться, зависят от его массы. Для массы в районе 125 ГэВ ситуация такова, что нет какого-то одного абсолютно удобного для анализа канала распада, что заметно усложняет поиск этой частицы. С одной стороны, в подавляющем большинстве случаев хиггсовский бозон с такой массой распадается на кварк-антикварковую пару: H→b-анти-b. Однако такой канал распада очень «грязный» — в типичном столкновении рождаются сотни других адронов, и заметить среди них именно ту b-кварковую пару, которая возникла от распада бозона Хиггса, очень трудно.

Есть также небольшая вероятность распасться на четыре лептона через два промежуточных Z-бозона (например, H → ZZ* → e+e–μ+μ–). Этот канал очень чистый, его легко отделить от фона, но ожидаемое количество таких событий составляет всего несколько штук. Поэтому ситуация в этом канале пока что сильно зависит от случая и от умения экспериментаторов правильно идентифицировать рожденные частицы.

Имеется также распад хиггсовского бозона на два фотона: H → γγ. Это тоже довольно чистый канал, однако вероятность такого распада составляет всего 0,2%. Здесь, впрочем, есть фон (простое излучение двух фотонов в столкновении без рождения бозона Хиггса), но с ним можно бороться. Наконец, существуют распады и на другие каналы, в частности на два тау-лептона или на два W-бозона, которые, хоть погоду не сделают, но тоже должны приниматься во внимание.

Возвращаясь к распаду бозона Хиггса на b-анти-b-пару, стоит отметить, что на самом деле этот канал не так безнадежен, как казалось еще несколько лет назад. Этот распад можно попробовать увидеть в так называемом ассоциированном рождении хиггсовского бозона, то есть его совместном возникновении с W- или Z-бозоном (такой процесс условно обозначается VH-рождение). Дополнительный бозон как бы помогает обнаружить хиггсовский бозон; конечно, вероятность такого совместного рождения меньше, но зато можно использовать доминирующий канал распада. К слову, именно этот канал оказался самым важным в поиске хиггсовского бозона на Тэватроне.

На все эти каналы распада полезно посмотреть еще и с точки зрения быстроты их обработки. Вообще говоря, обычно физики никуда не торопятся, стараются максимально подробно изучить данные и перепроверить выводы. Но конкретно в этой ситуации важную роль играл фактор времени: предварительный анализ данных 2012 года планировалось завершить к началу конференции ICHEP-2012, которая стартовала 5 июля. Поэтому неудивительно, что основной упор делался на самые «удобные» для анализа каналы распада — на два фотона и на ZZ с последующим распадом на 4 лептона. Эти каналы практически нечувствительны к эффекту нагромождения событий (pile-up), который сказывается всё сильнее при повышении светимости. Так, коллаборация ATLAS обработала только эти два канала в статистике 2012 года, а по остальным каналам она использовала лишь данные 2011 года. Коллаборация CMS, однако, сумела проанализировать все основные каналы распада.

Результаты, представленные 4 июля

Представители обеих коллабораций посвятили первую часть своих докладов описанию особенностей детектора и тем новшествам в методиках сбора и анализа данных, которые возникли за последние месяцы. Затем были представлены новые данные по отдельным каналам распада, а в конце были показаны результаты объединения поисков по всем каналам.



Рис. 2. Хиггсовский сигнал в данных ATLAS в каналах распада на два фотона (слева) и на четыре лептона через промежуточное ZZ состояние (справа). В случае ZZ распада для примера разными цветами показано, как должен был бы выглядеть хиггсовский бозон с массой 125, 150 и 190 ГэВ.
Изображения из доклада 4 июля

В случае коллаборации ATLAS разбивка выглядела так:

• В канале H→γγ ожидалось порядка 170 событий за счет рождения и распада бозона Хиггса. Все они потонули бы в десятках тысяч фоновых событий в области от 110 до 150 ГэВ, если бы не отличное энергетическое разрешение детектора и надежная идентификация фотонов. Предварительные данные ATLAS в этом канале (см. рис. 2, слева). продемонстрировали небольшой, но довольно заметный пик при массе 126 ГэВ. Самое важное, что этот пик присутствует на одной и той же массе и в данных 2011-го, и в данных 2012 года. Глобальная статистическая значимость хиггсовского сигнала в одном только двухфотонном канале получилась 3,6 стандартных отклонения (σ).
• В канале H→ZZ* с последующим лептонным распадом Z-бозонов ожидалось примерно пять событий рождения бозона Хиггса в области масс от 120 до 130 ГэВ плюс сравнимое количество фоновых событий, «выживших» после всех этапов отсева. Реально наблюдалось 13 событий, что надежно свидетельствует о превышении данных над бесхиггсовским фоном (рис. 2, справа). Глобальная статистическая значимость в этом канале составила 2,5σ.
• По остальным каналам были учтены только данные за 2011 год, однако они были обработаны заново, с учетом накопленного опыта.

После учета всех каналов рождения и распада, ATLAS представил общий результат: имеется пик при массе примерно 126,5 ГэВ, его локальная статистическая значимость составляет 5,0σ, глобальная — чуть ниже, 4,3σ.



Рис. 3. Хиггсовский сигнал в данных CMS в каналах распада на два фотона (слева) и на четыре лептона через промежуточное ZZ состояние (справа).
Изображения из доклада 4 июля

Коллаборация CMS представила данные за 2012 год практически по всем каналам распада:

• Картина в канале H→γγ аналогичная: локальная статистическая значимость пика при 125 ГэВ составила 4,1σ, глобальная — 3.2σ. Данные 2011-го и 2012 годов хорошо сходятся друг с другом
• В канале H→ZZ* с распадом в четыре лептона также наблюдается сигнал при массе 125,5 ГэВ с локальной статистической значимостью 3,2σ. Объединение только этих двух каналов уже дает локальную статистическую значимость 5σ.
• В канале H→WW* чувствительности еще не хватает для того, чтобы заметить существенное превышение над фоном, но будучи добавленным к предыдущим двум каналам, он повышает общую локальную статистическую значимость до 5,1σ.
• В канале распада на два тау-лептона никакого хиггсовского сигнала нет вообще. Это несколько неожиданно, но пока вполне укладывается в рамки статистических погрешностей.
• После учета всех каналов распада локальная статистическая значимость составляет 4,9σ.

Глобальная статистическая значимость не приводится, но ясно, что она ненамного меньше. Дело в том, что никакой больше свободы в поиске стандартного хиггсовского бозона у физиков не осталось: вся область масс, за исключением узкого окна от 122,5 до 127 ГэВ исключена на уровне достоверности 95%. Измерение массы бозона дало значение 125,3 ± 0,6 ГэВ.

Точно ли это хиггсовский бозон?

Конечно, в экспериментальной науке ничто не гарантировано на все сто процентов. Но когда вероятность случайного стечения обстоятельств становится меньше некоторого разумного порога, физики уже твердо говорят о новой частице или явлении как о факте, а не гипотезе.

Первый формальный критерий тут: статистическая значимость явления, или же вероятность того, что чистая статическая флуктуация породила наблюдаемый сигнал. Традиционно в физике об открытии говорят, когда статистическая значимость превышает 5σ. Вероятность случайной статистической флуктуации в этом случае (так называемое «p-value») составляет меньше миллионной доли. Это достаточно суровый критерий: в некоторых других естественных науках об установленном факте говорят, когда эта вероятность становится меньше процента. В этом смысле, статистическая значимость хиггсовского сигнала более чем достаточна: поскольку данные CMS, ATLAS, а также Тэватрона вполне поддерживают друг друга, их объединение гарантированно превысит 6 или даже 7σ.

Второй, чуть менее формальный критерий — однородность данных. Сейчас хиггсовский сигнал на разных уровнях значимости виден сразу в нескольких каналах, и везде — примерно на одной и той же массе, от 125 до 127 ГэВ. Сигнал примерно одинакового типа виден и в двух независимых детекторах (которые, кстати, имеют очень существенные конструкционные отличия). Наконец, данные не флуктуируют из года в год: результаты 2011-го и 2012 года полностью согласуются друг с другом. Всё это является сильным аргументом в пользу того, что мы действительно регистрируем некий реальный процесс, а не артефакт прибора или методики.

Более сложный вопрос касается того, почему физики уверены, что обнаруженная частица — тот самый хиггсовский бозон, который они хотят найти? Нет ли здесь элемента предвзятости? Да, если говорить абсолютно строго, то пока что имеется лишь открытие некоторой частицы, похожей на бозон Хиггса. Поэтому сами экспериментаторы формулируют свой результат максимально честно: «Observation of an Excess of Events in the Search for the Standard Model Higgs boson» («Наблюдение превышения количества событий в процессе поиска стандартного хиггсовского бозона»). Но несмотря на все эти терминологические предосторожности подавляющее большинство специалистов в этой области признает: гипотеза о том, что в природе оказалась частица, которая рождается и распадается примерно как хиггсовский бозон, связана с другими частицами примерно так, как ожидается от хиггсовского бозона, но им при этом не является, — очень неправдоподобна. Поэтому объективно правильно будет сформулировать текущую ситуацию так: физическое сообщество считает, что хиггсовский бозон открыт.

Одной из важных проверок на «хиггсовость» является измерение спина найденной частицы. Спин хиггсовского бозона должен быть нулевым, но текущие результаты пока не исключают и экзотический вариант, что это резонанс со спином 2 (спин 1 исключен потому, что наблюдается распад на два фотона; частица со спином 1 так распадаться не может). Проверить спин частицы можно по угловому распределению продуктов распада. Официальные результаты на этот счет коллаборации пока не предъявили, однако полгода назад появилась теоретическая статья, в которой было показано, что данные (еще за 2011 год!) указывают скорее на спин нуль, чем спин два. Очевидно, что после обработки новых данных самими коллаборациями этот вопрос сможет разрешиться в ближайшем будущем.

Стандартный или нет?

Итак, хиггсовский бозон считается открытым. Нобелевский комитет теперь будет решать непростую задачу, кому и когда дать за это открытие Нобелевскую премию, а перед физиками тем временем встает ключевой вопрос, над которым они будут, по-видимому, работать как минимум ближайшее десятилетие: является ли этот хиггсовский бозон стандартным или нет?

Напомним, что главная задача LHC — обнаружить Новую физику, и хиггсовский бозон тут является не целью, а средством. Если окажется, что свойства бозона Хиггса во всех деталях совпадают с предсказаниями Стандартной модели, это будет означать, что никаких выводов о более глубоком устройстве нашего мира сделать нельзя. Это максимально пессимистичный сценарий развития событий, который физики всё чаще называют своим «кошмаром». Напротив, если будет четко показано, что свойства бозона Хиггса какие-то другие, это даст мощную поддержку всей физике элементарных частиц, как теоретическим, так и экспериментальным исследованиям.

Как отличить стандартный хиггсовский бозон от его разнообразных собратьев, возникающих в многочисленных неминимальных хиггсовских моделях? Самый надежный способ — проверить картину распада, то есть измерить вероятности распада бозона Хиггса в разные наборы частиц. И вот здесь оказывается, что хиггсовский бозон с массой в районе 125 ГэВ подходит для этой задачи идеально: уже сейчас физикам доступны для изучения сразу пять разных каналов распада! Если теперь измерить «интенсивность» хиггсовского сигнала в этих каналах относительно предсказаний Стандартной модели (μ = σ/σSM), то μ = 1 в каком-то канале будет означать, что хиггсовский бозон в нем проявляется стандартным образом, а статистически достоверное отличие от единицы будет эквивалентно открытию Новой физики.



Рис. 4. Интенсивность хиггсовского сигнала в различных каналах распада по измерениям в экспериментах ATLAS (слева) и CMS (справа).
Изображения из докладов 4 июля

На рис. 4 показаны текущие результаты измерения этой величины в экспериментах ATLAS и CMS. Конечно, статистические погрешности пока велики (всё же, это самое первое измерение!), однако уже сейчас бросаются в глаза две вещи. Во-первых, вероятность распада на два фотона в полтора-два раза превышает стандартную. Поскольку бозон Хиггса связан с фотонами не напрямую, а через промежуточные заряженные частицы (и прежде всего, W-бозоны), это отличие можно попытаться интерпретировать как нестандартную «силу сцепления» бозона Хиггса с W-бозонами. Но тогда должен усилиться и распад на WW-пары, а такого усиления пока не видно. Другой, гораздо более интригующий вариант: наличие каких-то других, до сих пор неоткрытых заряженных частиц, которые «помогают» бозону Хиггса распасться на два фотона. Но в таком случае эти частицы точно будут нестандартными. Впрочем, текущие данные пока не позволяют сделать столь сильные выводы, и потому следует ждать уточнения данных.

Еще одна особенность, которая уже упоминалась выше — отсутствие сигнала в тау-лептонном канале распада. Опять же, это может оказаться и статистической флуктуацией, но интересно пофантазировать и над возможностью того, что хиггсовский бозон по какой-то причине плохо цепляется к лептонам. Это уже вопрос к теоретикам: можно ли построить естественную модель, в которой только связь с лептонами будет подавленной.

В целом можно сказать, что текущие данные пределах погрешностей согласуются пока и со Стандартной моделью, и с многочисленными ее расширениями. Закрыть какие-то модели (за исключением разве только бесхиггсовских или сильно экзотических) пока нельзя. Потребуется еще не один год и не одно обновление графиков на рис. 4 для того, чтобы картина начала проясняться.

Источники:

1. Коллаборация ATLAS: доклад 4 июля, графики и их подробное описание.
2. Коллаборация CMS: доклад 4 июля, информация на сайте TWiki, статья Physics Analysis Summary.

[skroznik]

Россия вернулась в научный космос

28.08.2012

По материалам АНИ "ФИАН-информ"

Этим летом состоялась годовщина старта российского научно-исследовательского космического аппарата СПЕКТР-Р, более известного как РадиоАстрон. В своем интервью руководитель ранней научной программы Радиоастрон, заведующий лабораторией АКЦ ФИАН, доктор физ.-мат. наук Юрий Ковалев прокомментировал наиболее важные стороны этой космической одиссеи.

О научной программе

Полная программа РадиоАстрон объединяет 12 научных направлений по исследованию черных дыр и релятивистских струй в ядрах активных галактик, космологии, физике нейтронных звезд, процессам образования звезд и планет и т.д. Научная программа РадиоАстрон стартует с этапа под названием "ранняя научная программа", - это исследования, выполняемые в первый год работы спутника.

Ранняя научная программа концентрируется на трех направлениях: изучение ядер активных галактик, исследование быстро вращающихся нейтронных звёзд - пульсаров, исследование областей мазерного излучения - так называемых протозвёздных, протопланетных областей, где рождаются звёзды и планеты. После этого будет начата работа в рамках открытой программы по ряду ключевых задач и направлений, по которым ожидаются заявки от групп отечественных и зарубежных ученых.

Помимо программ по исследованию свермассивных чёрных дыр (с массой порядка миллиарда солнечных масс) и исследованию далёких галактик будут также решаться задачи, связанные с получением характеристик межзвёздной среды. Последнее очень важно, так как будет получена информация о том, как "портится" излучение на пути распространения от космических объектов до Земли. Зная характеристики среды, можно восстановить первоначальный уровень излучения.

В случае успеха гравитационных экспериментов РадиоАстрон появится возможность приступить к проверке некоторых положений общей теории относительности Эйнштейна. Кроме того будут проведены измерения потенциала гравитационного поля Земли на расстояниях вплоть до Луны - высокоэллиптическая орбита спутника позволяет это сделать.

Изначально РадиоАстрон был рассчитан на изучение наиболее компактных объектов Вселенной. Это возможно благодаря небывалому угловому разрешению ("чёткости"), которую имеет этот наземно-космический радиоинтерферометр. Благодаря этому РадиоАстрон может решать и уже решает уникальные научные задачи.



Чёрные дыры

Сегодняшние представления о Вселенной невозможны без принятия факта, что чёрные дыры существуют. Если ученым удастся подтвердить их реальность, то это будет крайне важно. Если же будет доказано, что черные дыры не существуют, это повлечет за собой пересмотр многих современных теорий. Работа РадиоАстрона позволит максимально близко подойти к решению этой задачи, хотя вопрос, что считать доказательством существования черной дыры, - весьма не простой. Черная дыра - это очень тяжёлый объект, за пределы которого свет выйти не может. Эти пределы определяются так называемым гравитационным радиусом, который легко подсчитать, зная массу черной дыры.

Если представить далёкую активную галактику, в центре которой находится черная дыра, то можно определить, каков приблизительно размер её гравитационного радиуса. Однако сам объект увидеть нельзя, так как он ничего не излучает, а только поглощает. Так же нельзя увидеть излучение, существующее позади этого объекта. Есть возможность увидеть лишь так называемую тень черной дыры, то есть что-то в виде "бублика" или "полумесяца". Раньше этого никто не видел, поскольку такая тень очень мала, но ниша РадиоАстрона - это именно изучение ультракомпактных космических объектов. Его небывалое угловое разрешение и позволяет рассчитывать на то, что данная задача будет успешно решена. Помешать может лишь наличие какого-либо поглощающего вещества перед изучаемым объектом, которое может сработать как непрозрачный экран.

На сегодня существует по крайней мере две галактики - Дева А и Центавр А, - находящиеся сравнительно недалеко от Земли, - каких-нибудь 16 и 5 мегапарсек, соответственно (в отличие от тех гигапарсерсек расстояний, с которыми обычно приходится иметь дело при изучении квазаров), по которым можно работать, учитывая разрешающую способность РадиоАстрона.

Результаты первого года

После запуска, осуществлённого ровно год назад, проходили долгие и непростые комплексные испытания космического телескопа РадиоАстрон. На эти тесты ушло именно то время, которое изначально планировалось, хотя по некоторым видам бортового оборудования работа немного затянулась, но не более чем на полмесяца - месяц.

Для долговременной работы на орбите на борту спутника находится водородный стандарт частоты - атомные часы, запуск которых в космос осуществлён только второй раз за всю историю и при этом впервые. Важно, что впервые в космос запущены атомные часы российского производства, которые работают, обеспечивая именно ту высочайшую стабильность, которая нужна для проведения такого рода исследований.
В соответствии с программой, нужно было проверить работу этих часов, а далее - провести проверки самого космического аппарата, космического телескопа, тестирование и калибровку в режиме одиночной антенны - когда работает только бортовая система. Испытания проводились по разным космическим объектам от планет солнечной системы, туманностей и пульсаров до далеких галактик.

Всего РадиоАстрон имеет 4 частотных диапазона работы и оснащён 4 космическими приёмниками, настроенными на длины волн: 92 см, 18 см, 6 см, 1,35 см. В создании этих уникальных приёмников принимали участие специалисты из России, США, Финляндии, Голландии, Индии, Германии, Австралии.

После того как был протестирован сам телескоп, была проверена его работа в режиме интерферометра, то есть совместно с наземными радиотелескопами. Проверки, проведённые по всем диапазонам частот, дали положительные результаты.

Ранняя научная программа РадиоАстрон стартовала в феврале 2012 года, и уже к настоящему времени получены впечатляющие результаты по каждому из трех основных ее направлений - исследованию квазаров, пульсаров и галактических источников мазерного излучения.

Атомные часы

В космических исследованиях, использующих интерферометрию, неприемлема точность даже в малые доли секунды. Дело в том, что записи, полученные космическими и наземными радиотелескопами по одному и тому же объекту, в одно и то же время, в том же диапазоне волн, должны совмещаться с точностью на уровне атомных часов. Точность современных атомных часов составляет величину около 10^{-14} - 10^{-15}, то есть 1 секунда за несколько миллионов лет и более. Если это не обеспечивается, то не будет даже отрицательного результата, будет просто неработающая машина.

Атомные часы отличаются тем, что способны обеспечивать необходимую синхронизацию записей, принимаемых из разных точек в космосе и на Земле, без неизбежного в таких случаях "расплывания". Кстати, методика, которая используется в такого рода работах была предложена в 60-х годах XX-ого века советскими учёными Л.И. Матвеенко, Н.С. Кардашевым и Г.Б. Шоломицким. Академик Николай Семенович Кардашев - руководитель АКЦ ФИАН, как известно, является научным руководителем проекта РадиоАстрон.

Международный координационный совет Радиоастрон

Международный научный координационный совет РадиоАстрон работает уже несколько десятков лет, его участие в программах РадиоАстрона обусловлено целым рядом соображений. Во-первых, совет объединяет представителей разных международных исследовательских ресурсов, которые необходимы для успешной работы проекта. Во-вторых, члены совета обладают обширным опытом такого рода исследований. Таким образом, совет активно консультирует и помогает АКЦ ФИАН в организации работы наземно-космического интерферометра на международном уровне.

В настоящее время совет реорганизован так, чтобы отвечать требованиям нового этапа проекта, начавшегося после запуска спутника и завершения летных испытаний. Сопредседателями совета являются доктор физ.-мат. наук Юрий Ковалев (от миссии РадиоАстрон, ФИАН) и иностранный член РАН Кен Келлерманн (от иностранных участников проекта, Национальная радиоастрономическая обсерватория США).

Современные системы радиотелескопов настолько дороги, что доступ исследователей к их работе (наблюдательному времени) осуществляется в форме открытых и равноправных конкурсов заявок. Этот подход будет применен и в проекте РадиоАстрон. В июне 2012 года совет обсуждал детали реализации конкурсного принципа в доступе к космическим и наземным ресурсам. К февралю 2013-го ожидается поступление заявок от международных групп ученых в международный Совет экспертов РадиоАстрон (председатель - Др. Фил Эдвардс, Австралия), который и будет определять рейтинг заявок на получение наблюдательного времени. Научные работы по отобранным программам начнутся с середины 2013 года.

Жизненный цикл спутника

Деградация компонент спутника, как правило, происходит под влиянием космического излучения, которое может повредить элементы или материалы бортовой аппаратуры и систем. Заявленный ресурс работы РадиоАстрона определён сроком до 2016 года. Однако на борту спутника нет ни одной детали, ресурс которой заканчивался бы строго через 5 лет после запуска. Поэтому время жизни РадиоАстрона может оказаться более продолжительным. Следует заметить, что НПО им. Лавочкина - основной разработчик спутника - ранее производило успешные космические аппараты, обычно с существенным запасом по ресурсу.

[skroznik]

Разработан способ увеличения термоэлектрического эффекта в сверхпроводниках

05.09.2012

По материалам АНИ "ФИАН-информ"

Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН провели исследование "гигантского" термоэлектрического эффекта в обычных сверхпроводниках. Их вывод - усиления эффекта можно добиться с помощью легирования сверхпроводников магнитными примесями.

Термоэлектрический эффект в обычных телах состоит в появлении электрического потенциала на границе двух проводников, находящихся при разной температуре. Несколько иная ситуация возникает в сверхпроводниках, так как их свойства не позволяют электрическому полю проникнуть внутрь тела. Нормальный ток в сверхпроводниках в результате оказывается скомпенсирован сверхпроводящим током. Академик Виталий Лазаревич Гинзбург в 1944 году продемонстрировал, что такая компенсация отсутствует в неоднородных, или анизотропных сверхпроводниках, что позволяет экспериментально обнаружить термоэлектрический ток в этих структурах. Эксперименты, действительно, подтвердили наличие термоэлектрического тока, однако и величина эффекта, и его зависимость от температуры существенно разошлись с теоретическими построениями. Так, к удивлению учёных, величина эффекта превысила спрогнозированное ранее значение на несколько порядков. Убедительного объяснения такого расхождения между теорией и экспериментом пока не предложено, и парадокс остаётся неразрешённым до сих пор.

В 2004 году шведские учёные теоретически изучили появление термоэлектрического эффекта в высокотемпературных сверхпроводниках и установили, что в них он может достигать ещё больших значений - поэтому его назвали "гигантским". Учёные из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) им. Р.Е. Алексеева решили посмотреть, как проявит себя термоэлектрический эффект в низкотемпературных сверхпроводниках, и возможно ли выявить механизм его увеличения в них.

Ключевую роль в этом процессе играет асимметрия между электронами и дырками (носителями положительного заряда, численно равного заряду электронов). В нормальном состоянии "вклады" электроноподобных и дырочных возбуждений в термоэлектрический эффект имеют противоположные знаки и практически полностью взаимосокращаются. В то же время в сверхпроводниках с "необычным" (анизотропным) спариванием электронов рассеяние на примесях может приводить к более существенным значениям термоэлектрического коэффициента. Это происходит благодаря появлению так называемых квазисвязанных андреевских состояний рядом с примесями.

Суть явления объясняет участник работы, старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Михаил Каленков: "Андреевские состояния появляются в процессе отражения электронов на границе нормального металла и сверхпроводника. Появление этих состояний проще всего проиллюстрировать на примере "слойки", состоящей из слоя нормального металла, зажатого между двумя сверхпроводниками. Когда электрон, находящийся в нормальном слое, достигает сверхпроводника, он отражается обратно в виде дырки. Эта дырка попадает в другой сверхпроводящий слой и отражается от него в виде электрона. Появляется замкнутая орбита. При этом из квантовой механики известно, что если возникает замкнутая орбита, то у нас появляется квантование, а значит, возникает связанное состояние. Оно называется андреевским состоянием".

Для того чтобы "получить" андреевское состояние в низкотемпературном сверхпроводнике, физики решили добавить в него так называемую магнитную примесь - этот выбор обусловлен тем, что именно такая примесь подавляет сверхпроводимость. Михаил Каленков: "Если "уменьшить" долю нормального металла и взять уже не прослойку, а гранулу, то в случае обычного, изотропного, сверхпроводника, ничего не получится: андреевские состояния быстро потеряют стабильность, они будут "выдавливаться" из щели и потом просто пропадут. А если внутрь сверхпроводника добавить магнитную примесь, то есть точечный дефект, то вблизи появляется связанное состояние, которое нам и нужно".

В итоге появляющееся андреевское состояние нарушает симметрию между электроноподобными и дырочными возбуждениями, а это, в свою очередь, приводит к появлению "гигантского" термоэлектрического эффекта. Ему дополнительно способствует различие во времени рассеяния для электронов и дырок. Впрочем, в случае низкотемпературных сверхпроводников, по словам Михаила Каленкова, не совсем корректно разделять электронное и дырочное возбуждение, так как эти частицы находятся в суперпозиции, то есть как будто "смешиваются". Тем не менее, даже с учётом этого можно уверенно считать, что процесс идёт по схеме, присущей высокотемпературным сверхпроводникам, и расчёты можно проводить сходным образом.

Поводом для проведения исследования стала разработка болометра (теплового приёмника излучения), которая проводится в НГТУ. Этот прибор будет исследовать параметры реликтового излучения с борта аэростата. Основным компонентом болометра должен стать сверхпроводящий элемент, поэтому исследование его термоэлектрических характеристик было особенно важно. Одна из идей по увеличению эффекта - добавление магнитных примесей - и получила развитие в работе учёных из ФИАН и НГТУ. Несмотря на то, что сейчас исследователи предполагают использовать другой, более эффективный способ детектирования излучения, создание болометра стало важной отправной точкой для проведения описанной выше теоретической работы и остаётся одним из возможных способов её экспериментальной проверки.