Детектор коллаборации PHENIX

Изображение: PHENIX / RHIC

Международная коллаборация физиков PHENIX получила новые данные о вкладе в спин протона глюонов — специальных частиц, ответственных за «склеивание» между собой кварков. Исследование является следующим шагом в разрешении «кризиса протонного спина» и уточняет роль переносчиков сильных взаимодействий в формирование фундаментальных свойств материи. Работа опубликована (препринт) в журнале Physical Review D, кратко о ней сообщает пресс-релиз Брукхэвенской национальной лаборатории.

Собственным угловым моментом или спином называется специальная квантовая характеристика, чаще всего отождествляемая в научно-популярной литературе с направлением вращения частицы. Но это сравнение не вполне корректно: если заменить протон классическим объектом, например, шариком аналогичной массы и радиуса, то несложные вычисления покажут, что точки на его поверхности движутся со сверхсветовой скоростью. Несмотря на квантовость, и величина и направление спина влияют на вполне конкретные физические явления — отклонение траектории в магнитном поле и на поведение частиц в крупных системах. Для протона спин равен 1/2.

По современным представлениям, протоны состоят из кварков, связанных между собой глюонами, своеобразным «ядерным клеем». Поэтому суммарный спин протона должен представлять собой некую сумму угловых моментов объектов, из которых он состоит. К примеру, в состав покоящегося протона входят три кварка (два u-кварка и один d-кварк), каждый из которых несет спин 1/2. Ранее ученые считали что один из этих компонентов просто «вращается» в другую сторону, что объясняло суммарный угловой момент в 

(1/2) + (-1/2) + (1/2) = 1/2.

Однако в 1989 году коллаборация EMC (European Muon Collaboration)опубликовала исследование, согласно которому суммарный спин кварков в протонах вносит лишь небольшой вклад, он может быть даже нулевым. Иначе говоря, спиновая поляризация («направленность») протона не обязательно приводит к поляризации кварков.  В тот момент возник «кризис протонного спина» — физикам предстояло выяснить кто ответственен за большую часть углового момента протона. Здесь стоит отметить важный момент — количество кварков и глюонов, из которых состоит протон, относительная величина и меняется в зависимости от того, из какой системы отсчета мы смотрим на протон. Чем быстрее для нас движется протон и чем больше его энергия, тем из большего количества частиц, как нам кажется, он состоит.

Взгляды на вклад различных частиц в спин протона

Изображение: PHENIX

 

Дальнейшие работы уточнили, что кварки все же вносят некоторый вклад в спин протона, но он не достигает 30 процентов общего. Физики предположили, что остальной вклад могут вносить глюоны, угловым моментом которых пренебрегали в ранних расчетах. Для того, чтобы измерить его, необходимо было поставить эксперимент, в котором свойства «ядерного клея» играли бы решающую роль. Один из таких экспериментов предложили провести на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхэвенской национальной лаборатории — до 2010 года самом мощном коллайдере тяжелых ионов в мире. 

В эксперименте ученые сталкивали между собой пучки протонов с четко заданными направлениями спинов. В первой серии столкновений спины в пучках были сонаправлены. Затем один из пучков «переворачивали» и следили за тем как меняется характер осколков от столкновения частиц. В частности, физики следили за темпами рождения в столкновениях нейтральных пионов. В этом процессе активно участвуют глюоны, поэтому если их вклад в спин протона существенен, то «пререворачивание» пучка приведет к значительным изменениям в свойствах пионов — их импульсах и траекториях.

Столкновение спин-поляризованных протонов приводит к образованию пионов — нейтральных частиц, траектории разлета которых зависят от свойств глюонов в протоне

Изображение: PHENIX

 

Первые результаты экспериментов были опубликованы в 2014 году — тогда ученым удалось доказать, что вклад глюонов велик и может достигать по величине вклад кварков. Тогда столкновения проводились при энергиях до 200 гигаэлектронвольт. В новой работе физики подняли энергию в два с половиной раза — до 510 гигаэлектронвольт. Авторы сравнивают увеличение энергии столкновений с использованием более сильного микроскопа, позволяющего увидеть более тонкие эффекты. Согласно препринту, это вносит дополнительные ограничения на глюонный вклад, однако ученые ссылаются на внутреннюю переписку с научной группой DSSV (de Florian—Sassot—Stratmann—Vogelsang) — точные данные не приводятся.

В угловом моменте протона существует и третий компонент — вклад орбитального углового момента. Физический смысл этой величины состоит в следующем: подобно электронам в атоме, глюоны и кварки могут вращаться внутри протона. Оценить эту величину экспериментально гораздо сложнее. Кроме того, физики-теоретики неоднозначно трактуют эту величину, что послужило причиной серьезных споров в научной среде.

Владимир Королёв 

 Аккумулятор Tesla Model S (вид изнутри)

Фото: autotesla.ru

Химики из Московского государственного университета (МГУ) имени Михаила Ломоносова совместно с зарубежными коллегами создали материал, способный резко повысить скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов. Разработка позволяет за 90 секунд зарядить до 75 процентов от первоначальной емкости батареи. Результаты исследований ученые опубликовали в журнале Chemistry of Materials, а кратко о них сообщается в пресс-релизе университета, поступившем в редакцию «Ленты.ру».

Новый мощный катодный материал создан на основе фторидофосфата ванадия и калия. Ученым удалось стабилизировать кристаллический каркас, обеспечивающий быстрый транспорт ионов лития за счет обширных протяженных полостей и каналов. Предложенный материал продемонстрировал более высокую, по сравнению с другими литий-ионными батареями, скорость заряда и разряда.

«В основе работы лежит достаточно простая идея о геометрическом и кристаллохимическом соответствии катионной и анионной подрешеток, — сказал Станислав Федотов, младший научный сотрудник кафедры электрохимии химического факультета университета и один из авторов работы. — Такие аккумуляторы не только обеспечат высокие энергетические показатели, но и станут крайне привлекательными с экономической точки зрения».

По мнению ученых, после оптимизации строения и состава материал сможет конкурировать с известными коммерческими мощными катодными материалами. Изобретение может стимулировать разработку аккумуляторов, где дорогостоящий литий заменяется на более дешевый калий.

Литий-ионные аккумуляторы находят широкое применение в технике, в частности в мобильных телефонах и электромобилях.

 

Российские химики создали бесцветные чернила для цветной печати

Химики из Университета информационных технологий, механики и оптики в Санкт-Петербурге (Университет ИТМО) разработали бесцветные нетоксичные чернила, позволяющие печатать цветные изображения при помощи струйного принтера.

Новые чернила образуют на поверхности тончайшие наноструктуры, которые при взаимодействии со светом воссоздают цвета, благодаря интерференции. Цвет проявляется по тому же принципу, что и на мыльных пузырях.

Технология цветной печати претерпела множество изменений за последние 40 лет. Но до сих пор цвета и оттенки, как правило, создаются при помощи пигментов. Они же зачастую наносят вред окружающей среде. Так, некоторые краски токсичны для морской флоры и фауны, аккумулируются в живых организмах и представляют опасность для экосистемы нашей планеты.

Изменить ситуацию решили российские химики, которым удалось разработать бесцветные нетоксичные чернила. Яркие цвета, получаемые при новом способе печати, не выцветают со временем и абсолютно безопасны для окружающей среды.

В своём исследовании группа учёных под руководством Александра Виноградова из Лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий ИТМО задалась целью разработать метод цветной печати, основанный на нанесении интерференционных слоев при помощи обычного струйного принтера.

Необходимо было научиться точно контролировать нанесение чернильных капель на поверхность, получить возможность создавать из капель наноструктуры необходимой толщины. Ведь иногда разница в цвете при интерференции определяется всего лишь несколькими нанометрами.

"Мы впервые применили нанокристаллические золь-гель системы для создания контролируемой интерференции в тонких плёнках, используя для этого абсолютно бесцветные чернила из диоксида титана, – говорит Виноградов. – Настраиваемая многослойная печать позволила нам создавать оптические наноструктуры нужной толщины. Эти наноструктуры и дают световую интерференцию, которая приводит к появлению цветов. Уже сегодня мы можем гарантированно получать несколько десятков оттенков".

В настоящий момент разработка, несмотря на все достижения, находится на экспериментальной стадии. Например, создать яркий красный цвет при помощи нового метода пока что не удалось. Зато полученный и напечатанный на принтере зелёный цвет стал первым в мире полностью безопасным для окружающей среды и одновременно устойчивым для воздействия ультрафиолета.

Результаты работы российских химиков опубликованы в журнале ACS Nano .