Una particella su due percorsi: la fisica quantistica ha ragione

Una particella su due percorsi: la fisica quantistica ha ragione

Il laboratorio dell’ILL a Grenoble Laurent Thion, ILL. Credito: Università della tecnologia di Vienna

L’esperimento della doppia fenditura è l’esperimento più famoso e probabilmente il più importante della fisica quantistica: singole particelle vengono sparate contro un muro con due aperture, dietro il quale un rivelatore misura dove arrivano le particelle. Ciò mostra che le particelle non si muovono lungo un percorso molto specifico, come è noto dagli oggetti classici, ma lungo più percorsi contemporaneamente: ogni singola particella passa sia attraverso l’apertura sinistra che quella destra.

Normalmente, tuttavia, ciò può essere dimostrato solo eseguendo ripetutamente l’esperimento e valutando alla fine i risultati di molte rilevazioni di particelle. Alla TU Wien, i ricercatori hanno sviluppato una nuova variante di un simile esperimento di interferenza a due vie in grado di correggere questo difetto: un singolo neutrone viene misurato in una posizione specifica e, grazie alla sofisticata configurazione di misurazione, questa singola misurazione dimostra già che la particella si è mossa lungo due strade diverse contemporaneamente. È anche possibile determinare il rapporto in cui il neutrone è stato distribuito tra i due percorsi. Pertanto, il fenomeno della sovrapposizione quantistica può essere dimostrato senza dover ricorrere ad argomenti statistici. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Physical Review Research .

L’esperimento della doppia fenditura

“Nell’esperimento classico della doppia fenditura , viene creato uno schema di interferenza dietro la doppia fenditura”, spiega Stephan Sponar dell’Atomic Institute della TU Wien. “Le particelle si muovono come un’onda attraverso entrambe le aperture contemporaneamente, e le due onde parziali interferiscono quindi l’una con l’altra. In alcuni punti si rafforzano a vicenda, in altri si annullano a vicenda”.

La probabilità di misurare la particella dietro la doppia fenditura in una posizione molto specifica dipende da questo schema di interferenza: dove l’onda quantistica è amplificata, la probabilità di misurare la particella è alta. Laddove l’onda quantistica viene cancellata, la probabilità è bassa. Naturalmente, questa distribuzione d’onda non può essere vista guardando una singola particella. Solo quando l’esperimento viene ripetuto molte volte, il modello d’onda diventa sempre più riconoscibile punto per punto e particella per particella.

“Quindi, il comportamento delle singole particelle viene spiegato sulla base di risultati che diventano visibili solo attraverso l’indagine statistica di molte particelle”, afferma Holger Hofmann dell’Università di Hiroshima, che ha sviluppato la teoria alla base dell’esperimento. “Naturalmente, questo non è del tutto soddisfacente. Abbiamo quindi considerato come il fenomeno dell’interferenza a due vie può essere dimostrato sulla base del rilevamento di una singola particella”.

 

Rotazione del neutrone

Ciò è stato reso possibile con l’aiuto dei neutroni alla sorgente di neutroni di ILL a Grenoble: i neutroni vengono inviati su un cristallo che divide l’onda quantistica del neutrone in due onde parziali, molto simili al classico esperimento della doppia fenditura. Le due onde di neutroni parziali si muovono lungo due percorsi differenti e si ricombinano nuovamente. Interferiscono e vengono quindi misurati.

In aggiunta, tuttavia, viene sfruttata un’altra proprietà del neutrone: il suo spin, il momento angolare della particella. Può essere influenzato da campi magnetici, il momento angolare del neutrone punta quindi in una direzione diversa. Se lo spin del neutrone viene ruotato solo su uno dei due percorsi, è possibile determinare in seguito quale percorso ha preso. Tuttavia, anche il pattern di interferenza scompare, come conseguenza della complementarità nella meccanica quantistica .

“Quindi ruotiamo un po’ lo spin del neutrone”, spiega Hartmut Lemmel, il primo autore dell’attuale pubblicazione. “Quindi il pattern di interferenza rimane, perché puoi ottenere solo pochissime informazioni sul percorso. Per ottenere comunque informazioni precise sul percorso, questa misurazione ‘debole’ viene ripetuta molte volte negli esperimenti convenzionali. Tuttavia, si ottiene quindi solo un’affermazione statistica sull’intero insieme di neutroni e posso dire poco su ogni singolo neutrone.”

Inversione della rotazione

La situazione è diversa se, dopo che le due onde parziali di neutroni si sono fuse, viene utilizzato un altro campo magnetico per riportare indietro lo spin. Per tentativi ed errori, si determina l’angolo di rotazione necessario per riportare la rotazione dello stato sovrapposto nella direzione originale. La forza di questa rotazione è una misura della forza del neutrone presente in ciascun percorso. Se avesse preso solo il percorso su cui è stata ruotata la rotazione, sarebbe necessario l’intero angolo di rotazione per ruotarla all’indietro. Se avesse preso solo l’altro percorso, non sarebbe necessaria alcuna rotazione inversa. Nell’esperimento condotto utilizzando uno speciale divisore di fascio asimmetrico, è stato dimostrato che i neutroni erano presenti per un terzo in un percorso e per due terzi nell’altro.

Attraverso calcoli dettagliati, il team è stato in grado di dimostrare: qui non si rileva semplicemente un valore medio sulla totalità di tutti i neutroni misurati, ma l’affermazione si applica a ogni singolo neutrone. Occorrono molti neutroni per determinare l’angolo di rotazione ottimale, ma non appena questo viene impostato, la presenza del percorso determinata da esso si applica a ogni singolo neutrone rilevato.

“I nostri risultati di misurazione supportano la teoria quantistica classica”, afferma Stephan Sponar. “La novità è che non è necessario ricorrere ad argomenti statistici insoddisfacenti: quando si misura una singola particella, il nostro esperimento mostra che deve aver percorso due percorsi contemporaneamente e quantifica le rispettive proporzioni in modo inequivocabile”. Ciò esclude interpretazioni alternative della meccanica quantistica che tentano di spiegare l’esperimento della doppia fenditura con particelle localizzate.

Facebooktwitterlinkedininstagramflickrfoursquaremailby feather

5 Anni dopo il bosone di Higgs

5 Anni dopo il bosone di Higgs

Sono passati poco più di cinque anni da quando le due importanti collaborazioni al Large Hadron Collider – CMS e ATLAS – hanno annunciato congiuntamente la scoperta di una nuova particella con proprietà mai viste prima: il bosone di Higgs.

Fu la prima particella scalare fondamentale mai scoperta, la prima particella con spin = 0, la prima particella con un’energia di riposo di 126 GeV e l’ultima particella priva di previsioni del modello standard della fisica delle particelle. Con la scoperta del bosone di Higgs, quel modello standard fu finalmente completato. Tutte le altre particelle e antiparticelle avevano precedentemente ceduto il posto al rilevamento diretto e con Higgs, ora abbiamo trovato ogni particella che possiamo prevedere dovrebbe esistere.

Eppure ci sono un numero enorme di misteri irrisolti in fisica, e oltre cinque anni dopo, LHC non ci ha mostrato nuovi indizi su ciò che verrà dopo. Ecco un riassunto di ciò che l’LHC ha e non ha trovato, e cosa significa per quello che verrà dopo.

Trovato:

*) il modello Standard è davvero, davvero buono. Ogni particella che abbiamo creato al LHC, come è decaduta, con che cosa ha interagito e quali sono le sue proprietà intrinseche puntano alla stessa conclusione: tutto ciò che abbiamo visto in un collisore è in accordo al 100% con il Modello standard . Non ci sono decadimenti esotici; non ci sono regole fondamentali violate; non vi è alcuna prova indiretta che debba essere qualcosa di più là fuori per qualsiasi particella, dall’Higgs al quark superiore ai neutrini. Nel bene o nel male, non ci sono deviazioni che abbiamo visto dal modello standard.

*) Nuovi stati legati di particelle esotiche. La regola per le particelle composite che sono fatte di quark – come il protone (su, giù, giù) e il neutrone (su, giù, giù) – è che devono essere incolori: fatti di combinazioni come 3 quark, 3 antiquark, o una combinazione quark-antiquark. Poiché i quark sono disponibili in tre colori (rosso, verde, blu) e gli antiquark sono disponibili in tre anticolori (ciano / antiruggine, magenta / antigreen, giallo / antiblu) e tutti e tre i colori (o anticolori) insieme danno una combinazione incolore aspettatevi barion (3 quark), antibaryon (3 antiquark) e mesoni (coppie quark / antiquark) per esistere. Ma stiamo anche iniziando a trovare gli stati del tetraquark (2 quark / 2 antiquark) e pentaquark (4 quark / 1 antiquark)! Questa è una grande vittoria per la cromodinamica quantistica: la teoria delle interazioni forti. Ma, ancora, queste sono tutte previsioni che provengono dal Modello Standard e niente di più.
*) Decadimenti da violazione CP. Certo, li avevamo già visti in piccole quantità, ma l’LHC ci sta portando prove di violazione addizionale di CP in particelle composte che coinvolgono i quark di strano, di fondo o di fascino. La violazione di CP è una misura di come le particelle si comportano diversamente, in certi modi, dalle loro antiparticelle. Una delle intriganti differenze è che se le particelle possono decadere attraverso due percorsi diversi, le loro antiparticelle devono decadere dalle controparti anti-pathway, ma possono preferire un percorso rispetto all’altro in un modo diverso da quello che le particelle preferiscono. La quantità di violazione CP in particolare nei b-quark è più grande di quanto ci aspettassimo, il che potrebbe essere importante per le differenze materia / antimateria nell’universo.
*) Conservazione corrente neutra. Si trattava di un’enorme previsione del modello standard che vincola fortemente molte estensioni oltre il modello standard. Se potessi trasformare un quark di fondo in uno strano quark o down, un top in un charm o quark up, o un tau in un muone o un elettrone attraverso lo scambio di un bosone neutro (come lo Z0), quello sarebbe un esempio di una corrente neutra che cambia il sapore. Il modello standard vieta questi; esistono solo nelle teorie che aggiungono ulteriori particelle e interazioni, come le teorie di grande unificazione. Finora, tutte le correnti neutre sono ancora mostrate come conservate, una grande vittoria per il modello standard. Ciò potrebbe deludere alcune persone che hanno investito molto in particolari varianti della fisica del modello standard, ma capire meglio l’universo è una buona notizia per i fisici di tutto il mondo.

Non trovato:

+) nessuna prova per particelle aggiuntive. Non c’è questo rivestimento zuccherino: questa è stata forse la più grande speranza della maggior parte dei fisici. Nuove particelle su scale tra 100 GeV e ~ 2 TeV erano fortemente sperate, e in varie occasioni, alcune prove statisticamente suggestive emersero per alcuni candidati. Sfortunatamente, con dati sempre migliori, questa prova provvisoria è evaporata, e ora, con Run I e Run II completati, non ci sono nemmeno buoni suggerimenti su dove possa essere una nuova particella.

+) Supersimmetria. Dimensioni extra Creazione diretta di materia oscura. Queste erano le grandi speranze teoriche che molti avevano per l’LHC, e non solo gli sforzi di rilevamento diretto non sono stati fatti al LHC, ma molti (o anche la maggior parte) dei modelli che sono stati progettati per risolvere alcuni dei maggiori problemi (come il problema di gerarchia) in fisica sono stati esclusi. La natura potrebbe ancora avere particelle supersimmetriche, dimensioni extra o materia oscura basata su particelle, ma le versioni più promettenti di queste estensioni alla teoria non sono riuscite a presentarsi all’LHC. Potrebbero ancora, naturalmente, ma non ci sono nemmeno prove indirette che suggeriscano che ulteriori dati li rivelino alle energie del LHC.
+) Una risposta al problema della bariogenesi. Esiste una nuova fisica che accade alla scala elettrodebole? C’è speranza per il meccanismo Affleck-Dine? Se uno di questi è corretto, l’LHC potrebbe rivelare questi potenziali suggerimenti. La mancanza di tali suggerimenti ci dice che l’origine dell’asimmetria materia / antimateria può esistere in uno scenario diverso, come la leptogenesi o attraverso l’esistenza di bosoni superpesanti, ma c’è ancora molta fisica in scala TeV da esplorare. Con i precedenti accenni di molto più violazioni CP nel settore dei b-quark di quanto avessimo capito, l’LHC potrebbe ancora gettare luce su questo grande problema irrisolto in fisica.

Ma ecco la cosa più grande da ricordare sull’LHC: anche cinque anni dopo aver scoperto il bosone di Higgs, abbiamo raccolto solo il 2% circa dei dati che raccoglierà nel corso della sua vita. Se ci sono insoliti decadimenti, particelle aggiuntive, nuova fisica alla scala elettrodebole, un accoppiamento tra particelle pesanti e nuova fisica (neutrini sterili, il settore oscuro, materia esotica / non scoperta), ecc. avremo 50 volte più dati arrivando nei prossimi 15-20 anni a cercarlo.

La più grande preoccupazione, forse, è che qui ci sia una fisica nuova e interessante, ma poiché possiamo solo risparmiare circa lo 0,0001% dei dati di collisione, stiamo inconsapevolmente gettandolo via.
Molti fisici sono comprensibilmente preoccupati del fatto che l’LHC non abbia ancora dimostrato prove per la fisica al di là del Modello Standard e che il bosone di Higgs stesso stia deprimente in linea con esattamente quello che queste previsioni ben stabilite indicherebbero.

Ma questa non dovrebbe essere una sorpresa! Sappiamo già che la fisica è al di là del modello standard e sappiamo che non è facile da trovare.

Come Tim Gershon ha scritto nel Corriere del CERN:

Finora il bosone di Higgs sembra davvero simile a quello di SM, ma è necessaria una certa prospettiva. Ci sono voluti più di 40 anni dalla scoperta del neutrino alla realizzazione che non è privo di massa e quindi non è simile a SM; affrontare questo mistero è ora una componente chiave del programma globale di fisica delle particelle. Passando alla mia principale area di ricerca, il beauty quark – che ha raggiunto il suo 40esimo compleanno l’anno scorso – è un altro esempio di una particella di vecchia data che ora fornisce interessanti spunti di nuovi fenomeni … Uno scenario elettrizzante, se queste deviazioni dal La SM è confermata, è che il nuovo panorama della fisica può essere esplorato attraverso i microscopi sia di tipo b che di Higgs.
Ci sono tutti i motivi per essere ottimisti, dal momento che l’LHC produrrà tonnellate di b-mesoni e b-barioni, così come più bosoni di Higgs di ogni altra fonte di particelle combinata. Certo, il più grande passo avanti che potremmo sperare sarebbe la scoperta di una nuova particella e la prova di una delle grandi scoperte teoriche che hanno dominato la fisica delle particelle negli ultimi decenni: supersimmetria, dimensioni extra, technicolor o unificazione unificata. Ma anche in assenza di ciò, c’è molto da imparare, a livello fondamentale, su come funziona l’Universo. Ci sono molti indicatori che la natura gioca con regole che non abbiamo ancora scoperto appieno, e questa è una motivazione più che sufficiente per continuare a cercare. Abbiamo già la macchina, e i dati saranno presto in una quantità senza precedenti. I nuovi suggerimenti che si nascondono alla scala TeV saranno presto a portata di mano.

 

Facebooktwitterlinkedininstagramflickrfoursquaremailby feather

L’universo non dovrebbe esistere. Lo annunciano gli scienziati del CERN

L’universo non dovrebbe esistere.

Lo annunciano gli scienziati del CERN

Grazie alle tue stelle fortunate sei vivo. È veramente un miracolo della natura. Questo non ha nulla a che fare con la spiritualità o la religione e tutto ciò che ha a che fare con la scienza. La vita stessa potrebbe non essere il miracolo. Anche se non l’abbiamo ancora trovato altrove, la nostra galassia da sola è così piena di pianeti simili alla Terra che, matematicamente parlando, uno di loro deve mantenere la vita, anche se è solo la varietà microbica. La vita intelligente può essere un’altra questione.

Ciò che gli scienziati del CERN dicono come risultato del loro ultimo esperimento è: l’universo stesso è un miracolo, poiché non dovrebbe esistere affatto. Questo è ovviamente preso in riferimento alla teoria del Big Bang. Anche se prevalente, non è l’unica teoria a spiegare come tutto e tutto sia nato. Tuttavia, in questa visione, tutto inizia con la singolarità.

Secondo il Big Bang, l’universo iniziava come un punto delle dimensioni di un granello di sabbia che era inimmaginabilmente caldo, insondabilmente denso e pieno di materia ed energia. Poi, naturalmente, è esploso, facendo uscire i suoi contenuti e alla fine, formando l’universo come lo conosciamo. Ci sono alcuni problemi con questa teoria. Per uno, c’è il crescente tasso di espansione universale, noto come la costante di Hubble. Secondo il Big Bang, le cose dovrebbero rallentare o addirittura contrarsi. L’energia oscura è la spiegazione convenzionale, anche se non possiamo dimostrare che esiste.

C’è un altro problema ed è qui che entrano gli scienziati del CERN. L’ambiente che ha prodotto le particelle che compongono l’universo, come li conosciamo ora, dovrebbe aver creato parti uguali di materia e antimateria. Tuttavia, quest’ultimo è sorprendentemente raro. Non solo, una divisione 50-50 avrebbe visto ogni particella unirsi con il suo polo opposto, creando una raffica di energia inimmaginabile e senza lasciare nulla dietro, salvo un vasto vuoto ululante di un cosmo. Eppure, eccoci qui.
Una teoria è che la materia e l’antimateria devono in qualche modo essere radicalmente differenti. Ma l’ultimo esperimento del CERN non trova questo il caso. Secondo il Modello standard di fisica, un manuale per ogni particella conosciuta nell’universo e come opera, ogni tipo di atomo ha il suo polo opposto, la sua antiparticella, con la stessa massa, ma con una carica elettrica opposta.

In questo studio, gli scienziati del CERN hanno cercato di discernere quale fondamentale differenza debbano avere tali particelle, per convalidare l’esistenza del cosmo. Sono arrivati ​​vuoti. I fisici nella collaborazione BASE al CERN, hanno studiato le proprietà magnetiche di protoni e antiprotoni con una precisione misteriosa. Alcune buone notizie: i risultati hanno supportato il modello standard, poiché le particelle si sono comportate esattamente come previsto.

Lo squilibrio materia-antimateria, come viene chiamato, è un argomento molto popolare tra i fisici delle particelle in questi giorni, con molti team in giro per il mondo che lo esaminano. Il ricercatore del CERN Christian Smorra era nel team che ha condotto l’esperimento più recente. Ha detto a Science Alert: “Tutte le nostre osservazioni trovano una simmetria completa tra materia e antimateria, motivo per cui l’Universo non dovrebbe esistere realmente”.

Ha aggiunto: “Un’asimmetria deve esistere qui da qualche parte, ma semplicemente non capiamo dov’è la differenza. Qual è la fonte della rottura della simmetria?” Le scoperte di lui e dei suoi colleghi sono state pubblicate sulla rivista Nature.
Protoni e antiprotoni erano l’ultimo ostacolo quando si trattava di particelle che potevano spiegare lo squilibrio materia-antimateria. Gli scienziati dell’Università di Mainz in Germania hanno escogitato un modo per valutare il magnetismo di una particella di antimateria che è 350 volte più preciso del metodo precedente. La lettura è stata incredibile, in nove posti!

-2.7928473441 magnetoni nucleari. Un protone ha lo stesso livello di magnetismo, solo che è positivo. Sebbene lo studio non sia riuscito a spiegare l’estremo pregiudizio del nostro universo nei confronti della materia, ci ha fornito una migliore comprensione del magnetismo di un antiprotone.

L’antimateria non dura a lungo. In quanto tale, deve essere contenuto. I ricercatori hanno utilizzato due trappole Penning, che sono dispositivi che trattengono le particelle di antimateria utilizzando un campo elettrico e un campo magnetico. Stefan Ulmer, portavoce per la collaborazione BASE al CERN, ha dichiarato nel comunicato stampa:

“La misurazione degli antiprotoni era estremamente difficile, e ci lavoravamo da dieci anni. L’ultima svolta è arrivata con l’idea rivoluzionaria di eseguire la misurazione con due particelle. Questo risultato è il culmine di molti anni di continua ricerca e sviluppo e il completamento con successo di una delle misurazioni più difficili mai eseguite con uno strumento come la trappola Penning. ”

Fino ad ora, gli scienziati hanno sondato le differenze tra le particelle e i loro opposti confrontando la loro carica elettrica, il magnetismo e la massa. Successivamente, questa squadra pianifica di investigarli in termini di gravità, per vedere se esiste una discrepanza. Un’altra collaborazione internazionale con sede al CERN, chiamata ALPHA, studierà quale asimmetria, se esiste, esiste tra idrogeno e antiidrogeno. Nel frattempo, la squadra BASE ha in programma di esaminare ulteriormente le antiparticelle magneticamente.

Un altro importante sviluppo del CERN, un nuovo acceleratore lineare introdotto presso lo stabilimento a maggio, consentirà al Large Hadron Collider (LHC) di raggiungere una maggiore luminosità entro il 2021. Il Direttore Generale del CERN, Fabiola Gianotti, ha dichiarato alla sua inaugurazione: “Questa fase di alta luminosità aumenterà considerevolmente il potenziale degli esperimenti LHC per scoprire una nuova fisica e misurare le proprietà della particella di Higgs in modo più dettagliato. “Forse le scoperte fatte qui aiuteranno a svelare il segreto dietro lo squilibrio materia-antimateria.

Facebooktwitterlinkedininstagramflickrfoursquaremailby feather

Piccolo compendio etimologia delle particelle in fisica

Piccolo compendio etimologia delle particelle in fisica

Perchè fotone, protone o altrepaticelle hanno quel nome ? Da dove deriva ?

Discovered particles

Ions are atoms or molecules that are charged. The term “ion” was coined by 19th-century polymath William Whewell, who developed it for his contemporary Michael Faraday (see their correspondence), who made important discoveries in the realm of electromagnetism. “Ion” comes from the neuter present participle of Greek ienai, “go,” to describe the particle’s attraction, or tendency to move toward opposite charges. Ienai originates from the PIE ei, “to go, to walk.”

The suffix “-on” derives from “ion” and appears in the names of many particles.

Hypothetical particles

Expand all Close all

Named by: Abdus Salam, J. Strathdee, 1974

Supersymmetry is a theory that about doubles the number of particles in the Standard Model of particle physics. It states that every particle has a (usually more massive) “super” partner.

Although supersymmetry comes in many forms and flavors and took many years to develop, it owes the name “supersymmetry” to a 1974 paper (subscription required). Super comes from “supergauge,” used to describe the high power of gauge operator, and symmetry, because the theory is global rather than local (see paper, subscription required).

The nomenclature for supersymmetric particles was put forward in 1982 in a paper by physicists Ian Hinchliffe and Laurence Littenberg.

To identify the supersymmetric partner particle of a boson, add the suffix “-ino.” (For example, the supersymmetric partner of a photon would be called a photino.) And to identify the partner of a fermion, add the prefix “s-.” (For example, the partner of a muon would be a smuon.)

 

Facebooktwitterlinkedininstagramflickrfoursquaremailby feather