داده‌های امیدوارکننده به کشف ذره «هیگز»

جئوف برومفیل-داده‌های جدید دریافتی از دو حسگر اصلی شتاب‌دهنده غول‌آسای LHC، حاکی از وقوع رخداد‌هایی غیرمنتظره‌ هستند و همانگونه که انتظار آن هم می‌رود، این رخداد مربوط به همان ذره‌ای می‌شود که سال‌ها جهان فیزیک را به دنبال خود دوانده است: هیگز بوزون.

هر دو حسگر «اطلس» و CMS، نشانه‌هایی از احتمال وجود ذره‌ای جدید، در بازه جرمی 130 تا 150 گیگاالکترون‌ولت یافته‌اند (از آنجا که جرم و انرژی قابل تبدیل به همدیگرند و این رخداد در جهان ذرات زیراتمی کاملاً محسوس است؛ از واحدهای انرژی برای بیان جرم ذرات استفاده می‌شود). هرچند که این داده‌ها خام‌تر از آن هستند که بتوان به پشتوانه‌شان، نتایجی قطعی ارائه داد؛ اما فیزیکدانان معتقدند که این ممکن است اولین خودنمایی رسمی ذره «هیگز بوزون» باشد؛ ذره‌ای که آن را به‌عنوان بنیان جرم ماده تلقی می‌کنند. این نتایج، دیروز طی کنفرانس فیزیک انرژی‌های بالای «یوروفیزیکس»، در گرنوبل فرانسه ارائه شد.

با این حال فیزیکدانانی که با سازوکار آزمایشات‌شان به‌خوبی آشنایی دارند، هشدارهایی هم می‌دهند: به‌گفته «متیو استراسلر» (Matthew Strassler)، که یک فیزیکدان نظری از دانشگاه راتگرز نیوجرسی است، هنوز تا «کشف» هیگز بوزون راه درازی باقی است و «من ترجیح می‌دهم این [شواهد] را امیدوارکننده بنامم».

در جست‌وجوی هیگز

ذره هیگز، از زمان پیش‌بینی‌اش در سال 1964، به‌عنوان مهم‌ترین ذره تحت تعقیب فیزیکدان شناخته می‌شود. هیگز، جزئی از فرآیندی به‌شمار می‌رود که به دیگر ذرات زیراتمی، کمیت معروفی به نام «جرم» عطا می‌کند. مدل استاندارد ذرات زیراتمی هم که تاکنون با دقت اعجاب‌آوری به تأیید رسیده، نیازمند ذره هیگز (و یا چیزی شبیه به آن) است تا به وحدت نیروی ضعیف هسته‌ای (که واپاشی هسته‌ای را موجب می‌شود) و نیروی الکترومغناطیسی (که هدایت‌گر نیروهای الکتریسیته و مغناطیس و همچنین نور به‌شمار می‌رود)، موجودیت ببخشد.

فیزیکدانان حوزه ذرات پرانرژی، برای تعقیب این ذره اقدام به ساخت ماشین LHC کرده‌اند؛ یک تونل حلقوی 27 کیلومتری که در قرارگاه اصلی «سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا» (CERN)، در نزدیکی شهر ژنو سوئیس واقع شده است. LHC، پروتون‌ها را تا سرعتی نزدیک به سرعت نور شتاب می‌بخشد و بعدش آن‌ها را به‌ هم می‌زند. این برخوردهای مهیب، می‌توانند در مدت‌زمان به شدت کوتاهی، به تولید ذرات سنگین‌تر از پروتون بیانجامند. این ذرات سنگین هم در کسری از ثانیه به ذرات ریزتر وامی‌پاشند و حسگرهای غول‌پیکر مستقر در گرداگرد تونل، آثار غیرمستقیم حضورشان را شکار می‌کنند.

حال، دو حسگر اصلی LHC، یعنی اطلس و CMS، از ذرات واپاشیده بیشتری در بازه 130 تا 150 گیگاالکترون‌ولت حکایت می‌کنند و این داده‌ها درست در بازه‌ای واقع شده که دانشمندان انتظار وجود هیگز بوزون را در آن می‌کشند. آمارهای فعلی، هنوز آنقدر دقیق نیست که بتوان به پشتوانه‌‌اش، نتایج قطعی گرفت. ممکن است این سیگنال مرموز، دیگر هرگز تکرار نشود. «گویدو تونلی» (Guido Tonelli)؛ سخنگوی حسگر CMS، می‌گوید: «واقعاً باید محتاط و روش‌مند عمل کنیم». به‌گفته تونلی، در ماه‌های آتی، توجه CMS معطوف به اثبات درستی یا نادرستی این آمارهای نامتعارف خواهد شد.

«فابیولا جیانوتی» (Fabiola Gianotti)؛ سخنگوی حسگر اطلس نیز این گفته‌ها را تایید می‌کند و می‌گوید: «فکر کنم باید فوق‌العاده مراقب باشیم». به‌گفته او، این داده‌ها و سایر آمارهای نامتعارفی که در حوزه انرژی‌های بالا گزارش می‌شود، اصلاً ممکن است با جمع‌آوری داده‌های بعدی، کاملاً تصادفی از آب درآمده و دیگر هرگز تکرار نشود.

این داده‌ها، بیشترین رشد جمعیتی ذرات واپاشیده شده را به ذراتی موسوم به «W بوزون»ها نسبت می‌دهند. این ذرات، به تعادل نیروی ضعیف هسته‌ای کمک می‌کنند و طبق نظریات فعلی، ذره هیگز (در صورت وجود) به دو W بوزون تجزیه خواهد شد. هردو این حسگرها، داده‌های کاملاً نامتعارفی که حاکی از افزایش آمار جفت همین ذرات است را نشان داده‌اند؛ اما وفور داده‌ها به حدی نبوده که یک سیگنال بارز از خود به جا بگذارد. ضمناً نحوه واپاشی W بوزون‌ها هم به‌گونه‌ای است که نمی‌توان از طریقش به جرم دقیق هیگز بوزون پی برد.

به‌گفته استراسلر، اگر حتی این داده‌ها را یک سیگنال مشخص هم بدانیم، احتمال ارائه نتیجه‌گیری‌های نادرست هنوز وجود دارد. پیش‌بینی شمار دقیق شرایطی که طی آن یک ذره به W بوزون‌ها تجزیه می‌شود، امر دشواری است؛ و مدل استاندارد، اساساً برای توضیح چنین آماری نیازمند بازبینی است.

این تصورات، تا چند ماه آینده به سرعت دگرگون خواهد شد، اما فعلاً به قول «ویوک شارما» (VivekSharma)، پژوهشگری از دانشگاه کالیفرنیا-‌سن‌دیه‌گو و سرپرست پژوهش‌های مرتبط با ذره هیگز در حسگر CMS، در LHC قرار است آتش‌بازی بزرگی به راه بیفتد. نتایج اطلس و CMS، ماه آینده طی نشست «لپتون فوتون» در شهر بمبئی هندوستان با هم تلفیق خواهد شد. داده‌هایی هم که طی پاییز و زمستان سال جاری به دست خواهد آمد، یا صحت این سیگنال را تأیید می‌کنند و یا یک‌ بار برای همیشه اعلام می‌کنند که نبایستی در بازه‌های جرمی اندک به دنبال ذره هیگز بوزون گشت.

تونلی می‌گوید: «هیجان‌زده‌ هستم! ما بالغ بر 20 سال در این حوزه فعالیت کرده‌ایم و حال، تنها طی چندین ماه به پاسخ‌مان خواهیم رسید.»

حل معمای یک حباب کیهانی

مشاهدات مجموعه تلسکوپ‌های غول‌پیکر VLT، وابسته به رصدخانه جنوبی اروپا (ESO)، شواهدی حاکی از ماهیت عامل انرژی‌بخش ابر مرموز و درخشانی در ژرفای دوردست جهان هستی می‌دهند. این مشاهدات برای نخستین‌بار نشان داده که انرژی این جرم‌ کیهانی غول‌آسا– موسوم به «حباب لیمان آلفا» که یکی از گستره‌ترین ساختارهای منفرد جهان هستی هم به شمار می‌رود باید از کهکشان‌هایی که در آن به دام افتاده‌اند تأمین شده باشد.  

گروهی از ستاره‌شناسان، با کمک تأسیسات تلسکوپی VLT بر فراز کوه پارانال شیلی، دست به بررسی جرم کیهانی نامتعارفی موسوم به «حباب لیمان آلفا» زدند. این نام اشاره به خط طیفی ویژه‌ای موسوم به «لیمان-آلفا» دارد که در جریان برانگیختگی الکترون‌های اتم هیدروژن ایجاد می‌شود و در طیف این اجرام به چشم می‌خورد. این ساختارهای عظیم‌الجثه و فوق درخشان کیهانی که بسیار هم نادر هستند را غالباً در مناطقی از جهان نخستین می‌توان مشاهده کرد که تجمع بارز ماده در آن‌ها به چشم می‌خورد (یادتان باشد که هرچه فواصل دورتری از جهان هستی را کاوش کنیم، به پیشینه بیشتری از تاریخ جهان نفوذ کرده‌ایم). این تیم متوجه شد که نور یکی از این اجرام، قطبیده است. نور قطبیده را مثلاً در زندگی روزمره برای تولید افکت‌های سه‌بعدی سینمایی به کار می‌بندند. این پدیده به واسطه جهت‌گیری خاص مؤلفه‌های مغناطیسی یا الکتریکی سازنده نور رخ می‌دهد. حال‌آن‌که در نور غیر قطبیده، این مؤلفه‌ها به‌شکل تصادفی آرایش یافته‌اند. به‌هر ترتیب این نخستین باری بود که نور قطبیده در یک حباب لیمان آلفا تشخیص داده می‌شد و این مشاهدات، به پرده‌برداری از راز نحوه درخشش این حباب‌ها، کمک شایان توجهی خواهد کرد.

 

«متیو هایس» (Mathew Hayes) از دانشگاه تولوس فرانسه و سرپرست نویسندگان مقاله مزبور می‌گوید: «ما برای اولین دفعه نشان داده‌ایم که درخشش این جسم اسرارآمیز، به‌جای این‌که از گاز پراکنده در سرتاسر حباب تأمین شود، ناشی از نور پخشیده کهکشان‌های درخشانی‌ست که در آن پنهان شده‌اند.»

 

حباب‌های لیمان آلفا در ردیف بزرگ‌ترین ساختارهای منفرد جهان هستی قرار می‌گیرند: ابرهای عظیمی از گاز هیدروژن که شعاع‌شان به چند ده‌هزار سال نوری می‌رسد (یعنی کمی بیشتر از ابعاد کهکشان راه شیری ما) و انرژی‌شان معادل درخشنده‌ترین کهکشان‌های کیهان است. به‌همین واسطه، نقش حایز اهمیتی را در درک نحوه تشکیل و تحول کهکشان‌ها در سنوات نخستین عمر هستی بازی می‌کنند، اما منبع این درخشندگی چشمگیرشان تاکنون در هاله‌ای از ابهام مانده بود.

 

این گروه از ستاره‌شناسان، تصمیم به بررسی یکی از اولین و درخشنده‌ترین حباب‌های پیداشده تا به امروز گرفتند. این حباب، با نام علمی LAB-1 در سال 2000 میلادی کشف شده بود و چنان از ما دور است که 11.5 میلیارد سال به درازا می‌کشد تا نور آن به زمین برسد. این حباب با شعاع تقریبی 300 هزار سال نوری، همچنین یکی از گسترده‌ترین‌ها در نوع خود است و چندین پیش‌کهکشان، شامل یک کهکشان فعال را هم درون خود جا داده است. کهکشان‌های فعال، آن دسته از کهکشان‌هایی هستند که هسته‌شان فوق‌العاده درخشان‌اند و گویا سیاهچاله‌ پرجرمی را درون خود جا داده‌اند که این درخشندگی محصول افزایش دمای موادی‌ست که به درون این سیاهچاله سرازیر می‌شود. فرضیه‌های متفاوتی تاکنون در تلاش برای توصیف ماهیت حباب‌های لیمان آلفا ارائه شده است. یکی‌شان می‌گوید که این اجرام، در جریان حرکت سریع گاز، به‌سمت مرکز ثقل حباب از بابت نیروی جاذبه بالایش، برانگیخته می‌شوند و شروع به درخشش می‌کنند. براساس فرضیه‌ای دیگر اما نور شدید این اجرام، از ساختارهای درونی‌شان نشئت می‌گیرد: یعنی کهکشان‌هایی که میزبان چندین فاز فعال ستاره‌سازی هستند و یا از سیاهچاله‌های غول‌آسایی که انبوهی از ماده در گرداگرشان حلقه بسته میزبانی می‌کنند. رصدهای جدید، از فرضیه دوم پشتیبانی می‌کند.

 

این گروه، با محاسبه قطبیدگی نور دریافتی از LAB-1 اقدام به تعیین سازوکار درخشش این جرم کرد. ستاره‌شناسان از طریق بررسی نحوه فطبیدگی نور، قادر به کسب اطلاعات مهمی از فرآیندهای فیزیکی زاینده آن هستند و همچنین می‌توانند هر اتفاقی که برای این نور، در مسیر عبورش از مبدآ آن تا زمین رخ داده را ردیابی کنند. اگر از جایی بازتاب یافته باشد، قطبیده می‌شود و این خصوصیت ظریف نور را هم با حس‌گرهای دقیق زمینی می‌توان مشخص ساخت. با این ‌وجود تعیین قطبیدگی نور یک حباب لیمان آلفا، کار سختی خواهد بود چراکه فاصله‌اش تا ما فوق‌العاده زیاد است.

 

«کلادیا اسکارلاتا» (Claudia Scarlata) از دانشگاه مینه‌سوتای ایالات متحده و کمک‌نویسنده این پژوهش، می‌افزاید: «این رصدها را فقط از طریق تلسکوپ‌های VLT و ابزار FORS که بر آن مستقر شده است می‌توان به ثمر رساند. ما مشخصاً به دو چیز نیاز داشتیم: تلسکوپی با آینه‌ای به قطر دست‌کم هشت متر تا نور کافی را جمع آورد و دوربینی که توانایی تعیین قطبیدگی نور را داشته باشد. رصدخانه‌های زیادی را با حضور توأمان این دو ویژگی نمی‌توان در جهان پیدا کرد.»

 

این گروه، با رصد 15ساعته جرم هدف‌شان از دریچه تلسکوپ VLT متوجه شد که نور دریافتی از LAB-1 در راستای حلقه‌ای به گرد ناحیه مرکزی حباب، قطبیده شده است و در مرکز آن هیچ نشانی از قطبیدگی دیده نمی‌شد. اگر نور صرفاً از برانگیختگی گاز موجود در حباب، حین واکنش به گرانش بالای آن ایجاد شده باشد، هرگز این خصیصه را از خود بروز نمی‌دهد، اما آنچه دیده شد، درست همان وضعیتی بود که در صورت نشر نور حباب از جانب کهکشان‌های محصور در نواحی مرکزی آن انتظار مشاهده‌اش می‌رفت.

این ستاره‌شناسان هم‌اکنون درصدد انجام رصدهای بیشتری از این اجرام دوردست کیهانی هستند تا ببینند آیا نتایج بررسی‌شان بر LAB-1، برای سایر حباب‌ها هم صدق می‌کند یا نه.

 

لینک منبع مقاله

ماده تاریک، آیا واقعاً وجود دارد؟

براساس پژوهشی جدید، احتمال دارد اصلاً ماده‌ مرموزی که به‌عنوان «ماده تاریک» شناخته می‌شود، در واقع یک فریب فیزیکی حاصل از فعل و انفعالات گرانشی مابین جفت‌های ناپایدار ماده/ پادماده باشد.

 

تصور معمول بر این بوده و هست که ماده تاریک، حدود یک‌چهارم از جرم جهان هستی را به خود اختصاص داده است. این فرضیه نخستین‌بار در سال 1933 میلادی، به‌منظور توضیح سرعت بالای کهکشان‌های واقع در نواحی بیرونی خوشه‌های کهکشانی ارائه شد. چراکه با درنظرگرفتن جرم مرئی آن‌ها، چنین رفتاری برای این کهکشان‌ها دور از انتظار می‌نمود. ضمناً از آنجا که جرم ظاهری این خوشه‌ها برای حفظ مدار کهکشان‌های بیرونی‌شان کفایت نمی‌کرد، با توجه به چنین سرعت‌هایی، انتظار می‌رفت این کهکشان‌های بخت‌برگشته تاکنون از قلمرو خوشه به بیرون پرتاب شده باشند، حال‌آن که چنین نیست. از این‌رو فیزیکدانان گفتند امکان دارد این هیولاهای کیهانی، با هاله‌ای از ماده‌ای نامرئی (اما سنگین) احاطه شده باشند. ماده تاریک، نیاز به این جرم اضافی را برطرف می‌کرد که میدان گرانشی‌اش برای نگهداری از این کهکشان‌ها کفایت می‌کرد.

 

در پژوهشی که به‌تازگی صورت گرفته، فیزیکدانی به‌نام «دراگان هاجوکوویک» (Dragan Hajdukovic) از مرکز تحقیقات هسته‌ای اروپا (CERN) در کشور سوئیس، توجیهی کاملاً متفاوت از رفتارهای نامتعارف کیهانی را پیشنهاد کرده که به قول خود هاجوکوویک، اساس این فرضیه بر پدیده «قطبیدگی گرانشی خلأ کوانتومی» استوار است.

 

خلائی که پر از ذرات مجازی است

 

خلاء کوانتومی، نامی است که فیزیکدانان به همان خلائی که ما می‌شناسیم اطلاق می‌کنند. در چهارچوب قوانین کوانتومی، فضای خلاء آنقدرها هم از همه‌چیز خالی نیست، بلکه در واقع این پیوستار تهی، دریای پرجوش و خروشی از «ماده/ پادماده‌های مجازی» است که دائماً از «هیچ» بیرون می‌جهند و دوباره در آن شیرجه می‌زنند و «نابود» می‌شوند. پادماده، ذره‌ای انعکاسی از ماده معمولی است. مثلاً یک پادپروتون، نسخه‌ای مشابه اما با بار منفی از پروتون است که یکی از بنیان‌های سازنده اتم محسوب می‌شود. وقتی‌که ماده و پادماده به‌هم برمی‌خورند، طی یک گسیل آنی انرژی، همدیگر را نابود می‌کنند. ذرات مجازی، بی‌اختیار از خلاء کوانتومی متولد می‌شوند و چنان سریع همدیگر را نابود می‌کنند که امکان مشاهده مستقیم‌شان هرگز فراهم نمی‌شود.

 

در مدل پیشنهادی هاجوکوویک، این احتمال مطرح می‌شود که چه می‌شد اگر جفت‌های ماده/ پادماده، نه‌تنها در بار الکتریکی که در خواص گرانشی‌شان هم رفتاری مخالف باهم از خود نشان دهند؛ احتمالی که در گذشته هم البته مطرح شده بود. او می‌گوید: «اکثر نظریات فیزیکی، تنها یک بار گرانشی را در نظر می‌گیرند، حال‌آنکه من فرض را بر این می‌گیرم که دو نوع بار گرانشی وجود دارد.»

 

بر اساس این ایده که به تفصیل در شماره فعلی نشریه علمی Astrophysics and Space Science انتشار یافته، ماده دارای بار مثبت گرانشی و پادماده برعکس، دارای بار منفی گرانشی است. این بدین‌معناست که ماده و پادماده از حیث گرانشی همدیگر را دفع می‌کنند، به‌گونه‌ای‌که یک جسم متشکل از پادماده، در مواجهه با میدان گرانشی زمین- که جسمی متشکل از ماده محسوب می‌شود- خواهد گریخت. البته از آنجا که دافعه گرانشی به مراتب از دافعه الکتریکی ضعیف‌تر است، امکان برخورد ماده- پادماده در این فرضیه رد نمی‌شود.

 

چگونه کهکشان‌ها با نیروی جاذبه همدیگر را دفع می‌کنند؟

 

هرچند که فرضیه رفتارهای پادگرانشی یک ذره شاید عجیب به‌نظر آید، اما به‌گفته‌هاجوکوویک این فرضیه ریشه‌های محکمی در جای‌جای فیزیک کوانتوم دوانده است. مثلاً مدت‌هاست مشخص شده که ذرات می‌توانند آنچنان در اطراف هم تجمع کنند که یک «دوقطبی الکتریکی» را تشکیل دهند؛ ماده‌ای که یک طرفش را ذرات مثبت و طرف دیگرش را ذرات منفی تشکیل داده است. طبق این فرضیه بایستی شمار فراوانی از این دوقطبی‌های الکتریکی، توسط ذرات مجازی در هر حجم مشخصی از خلاّء ایجاد شوند. جهت‌گیری کلیه این دوقطبی‌ها کاملاً تصادفی است؛ درست مثل دریایی از عقربه‌های قطب‌نمای سرگردان، اما اگرچنان‌چه دوقطبی‌ها در حضور یک میدان الکتریکی به‌وجود آیند، بی‌معطلی هم‌جهت با میدان مزبور می‌شوند.

 

طبق نظریه میدان کوانتومی، این جهت‌گیری پرسرعت دوقطبی‌های الکتریکی که به «قطبیدگی» مشهور است، خودش میدان الکتریکی ثانویه‌ای تولید می‌کند که با میدان اولیه درهم‌آمیخته است و تقویتش می‌کند. اجوجوویک معتقد است اتفاق مشابهی هم دقیقاً برای نیروی گرانش رخ می‌دهد. یعنی واقعاً اگر ذرات مجازی ماده و پادماده دارای بار مخالف گرانشی باشند، آنگاه حضور دوقطبی‌های گرانشی تصادفی را هم در فضا باید انتظار داشت. اگرچنان‌چه این دوقطبی‌های گرانشی در نزدیکی یک کهکشان- و عموماً جسم سنگینی که میدان گرانشی وسیعی را تحت سلطه خود دارد- ایجاد شوند، انتظار می‌رود همگی‌شان قطبیده شوند.

 

قطبیدگی گرانشی، منجر به تولید میدان گرانشی ثانویه‌ای خواهد شد که پس از ادغام با میدان اولیه، بر نیروی جاذبه آن کهکشان می‌افزاید. هاجوکوویک می‌گوید: «فرضیه من، میدان گرانشی کهکشان‌ها را قوی‌تر [از آن‌چه هستند] در نظر می‌گیرد، آن‌هم بدون نیاز به ماده تاریک.»

 

مدارکی برای وجود ماده تاریک

 

«دیوید ایوانز» (David Evans) از دانشگاه بیرمنگام، فیزیکدانی است که فرضیه هاجوکوویک را «مشق نظری جذابی» می‌نامد، اما می‌گوید هنوز حاضر به انکار ماده تاریک نیست. او که رهبر یک تیم انگلیسی فعال در حس‌گر ALICE، واقع در شتاب‌دهنده LHC است. او می‌گوید: «مدارک وجود ماده تاریک هم‌اکنون فوق‌العاده متقاعدکننده‌اند.» مثلاً در سال 2006، ستاره‌شناسان موفق به تهیه تصویری از دو خوشه برخوردی از کهکشان‌ها موسوم به «خوشه بولت» شدند که به‌روشنی نشان از تفکیک ماده معمولی و ماده تاریک می‌دهد. پدیده‌ای مشابه همچنین طی تابستان سال جاری در «خوشه کهکشانی پاندورا» گزارش شد.

 

هاجوکوویک هم‌اکنون مشغول کار روی فرضیه خود است تا موفق به توجیه مشاهدات این‌چنینی بشود. به‌گفته خود او، محاسبات اولیه‌اش نشان می‌دهند که «آن‌چه در خوشه بولت و اخیراً در خوشه پاندورا دیده شده را شاید بتوان در چارچوب فرضیه قطبیدگی گرانشی خلأ کوانتومی توجیه کرد». «مایکل دوزر» (Michael Doser)، از فیزیکدانان CERN، هرچند قبول دارد که فرضیه هاجوکوویک اندکی خارج از عرف معمول است، اما بلافاصله هم آن را رد نمی‌کند و می‌گوید: «عقیده مرسوم، هنوز موفق به اثبات ذرات احتمالی سازنده ماده تاریک نشده است و لذا در این بین، بررسی گستره وسیعی از فرضیاتی که با داده‌های موجود هماهنگی دارند، امری کاملاً رواست.»

 

دوزر از اعضای آزمایش AEgIS وابسته به CERN است؛ آزمایشی که هدف از انجام آن، محاسبه بار گرانشی اتم پادهیدروژن است و از این‌رو در نهایت معلوم می‌کند آیا ماده و پادماده باید اصولاً از حیث گرانشی همدیگر را دفع کنند یا نه. وی می‌گوید: «در این چند ساله قطعاً بایستی تکلیف خودمان را مشخص کرده و در موضع انکار یا قبول فرضیه هاجوکوویک قرار گیریم.»

Calcium ions simulate the quantum world

The first digital "quantum simulator" based on trapped ions has been built by physicists in Austria. The system, developed by Ben Lanyon and colleagues at the University of Innsbruck, comprises a number of trapped calcium ions that are manipulated using sequences of laser pulses. The team has used the system to simulate the time-evolution of several multi-particle systems.

A quantum simulator uses one quantum system to simulate the behaviour of another, less accessible system. For example, by carefully manipulating the laser light and magnetic fields trapping an ensemble of ultracold atoms, researchers can control the interactions between atoms – and therefore simulate interactions that occur between electrons in solids. But unlike electrons in solids, the strength of these interactions can be easily adjusted, allowing physicists to test theories of condensed-matter physics.

 

Analogue to digital

Most quantum simulators are "analogue" in the sense that the interactions between the trapped atoms are directly analogous to those between electrons. A digital quantum simulator, in contrast, contains an ensemble of interacting quantum particles that act as quantum bits (qubits) and can be used to create quantum logic gates. The quantum system to be simulated is then encoded into the system and the behaviour of the electrons is determined by performing a quantum calculation.

Unlike analogue simulators, which address specific systems, a digital simulator could be used to study a wide range of quantum systems. Furthermore, digital simulators can benefit from error-correction schemes, which means that physicists can be more confident in their results.

But while researchers have had some success creating digital quantum simulators using nuclear magnetic resonance (NMR) techniques, these work with just two or three qubits and it has proven difficult to scale up to the 40 or so qubits needed to do a useful quantum simulation. The new trapped-ion quantum simulator created Lanyon and colleagues means that it should, in principle, be much easier to scale up such a system to do useful simulations.

Easily scalable

The team's experiments begin with a small number of calcium ions (a maximum of six) that are lined up in a row in an electromagnetic trap. Each ion can exist in two electronic states – "0" and "1" – and can therefore act as a qubit. Interactions between individual ions can be controlled by firing carefully selected laser pulses at the trapped ions.

A calculation begins by putting the ions into a specific quantum state. In an experiment involving four ions, for example, each qubit was given the value "1". A series of laser pulses was then fired at the ions, which causes them to interact with each other creating a sequence of logic gates that process the quantum information held in the initial state.

It is this sequence that simulates the interactions that occur in a real (or imagined) quantum system. In this particular example, the qubits were used to simulate four spin-1/2 particles in which the spin of each particle can interact with the three other particles.

Approximate solutions

Lanyon and colleagues were interested in calculating the time evolution of the spins, which is particularly difficult to do using a classical computer. To do this, the team implement the "Trotter approximation" on their system. This is done by firing a series of pulses that simulates the evolution of the system over a certain period of time before the values of the qubits are read out. The system is then reset and an identical simulation is repeated many times to obtain average values for the qubits – which is an approximate solution to the problem being simulated.

This entire process is then repeated to simulate a number of different time periods, building up a map of the time evolution of the spins. Time evolution simulations were done for as many as six trapped-ion qubits and involving up to 100 quantum gates.

Towards quantum chemistry

"Six qubits and a 100 gates for quantum simulation is a feat that paves the way for more complex and rich digital quantum simulations in the future," says Alán Aspuru-Guzik of Harvard University in the US. "What Ben Lanyon and his colleagues did was to implement one of the most important building blocks for quantum simulation, what we call a 'Trotter step' in a generic or universal sense. This is one of the required and essential building blocks to do exact quantum chemistry on quantum computers, when they become powerful enough."

Lanyon told physicsworld.com that his team's next challenge is to perform the simulations with 10 or more ions. Creating such a system is not the problem – the team has already trapped and entangled as many as 14 ions. However, performing large numbers of operations on the ions is tricky because the qubits tend to lose their quantum nature over time as they interact with their surroundings.

Black holes act as galactic thermostats

The supermassive black hole at the centre of a massive galaxy or galaxy cluster acts as a furnace, pumping heat into its surroundings. But astronomers have struggled to understand how a steady temperature is maintained throughout the whole galaxy when the black hole only appears to interact with nearby gas. Now, researchers in Canada and Australia believe the answer could be a feedback loop in which gravity causes gas to accumulate around the black hole until its density reaches a tipping point. Then, the gas rushes into the black hole, temporarily turning up the heat.

Galaxies emit X-rays and this ongoing loss of energy should cool their gas so that it coalesces into stars. However, astronomers only see a fraction of the expected star formation in massive elliptical galaxies and galaxy clusters, which means that something must be heating the gas. The only major heat source is the supermassive black hole at the centre of the galaxy or cluster – also known as the active galactic nucleus (AGN). But such AGNs do not get feedback from most of the gas in a galaxy, which can be as far as 330,000 light-years from the AGN. So how does the AGN maintain the temperature of the whole galaxy?

Pressure drop

Edward Pope and Trevor Mendel, both of the University of Victoria in British Columbia, together with Stanislav Shabala of the University of Tasmania in Australia think they know how this feedback occurs. They argue that as the gas in the centre of the massive galaxy or galaxy cluster cools by emitting X-rays, it loses pressure, thereby allowing more gas from further out in the cluster to flow inwards. Eventually, the gas becomes so dense that it cannot support its own weight and it collapses suddenly, rushing in towards the black hole. The black hole swallows some of the gas and uses this energy to hurl the remaining gas outwards. The researchers believe that this outburst could be so energetic that some gas could even be ejected from an elliptical galaxy – but it is not energetic enough to evict gas from a cluster of galaxies.

The outburst would contain particles travelling at near the speed of light and would extend beyond the furthest reaches of even a massive galaxy. "Even though it is fuelled only by the central gas, the black hole can actually heat all of the gas in the galaxy," says Pope. Such outbursts from an AGN can continue for 10 to 100 million years according to the researchers’ calculations, which they say match observations of giant bubbles of gas blown by AGN jets over similar timescales. Once the AGN settles down, the gas begins to cool once more, flowing toward the centre of the galaxy or cluster again.

The average rate at which the gas builds up is the key connection between the AGN outbursts and the temperature of the galaxy at large, Pope explains. It depends on the difference between the cooling rate of the whole galaxy plus the average heating rate by the AGN. Gas accumulates more quickly when cooling dominates, and more slowly when heating is stronger. "Consequently, you can see that this is a self-regulating loop – just like a thermostat," says Pope.

Promising explanation

Andrew Benson of the California Institute of Technology in Pasadena says that the inclusion of periodic AGN outbursts in this explanation of how galaxies and clusters regulate their temperatures is promising "since we observe that AGN are 'on' for only a short time, followed by long periods of being 'off' ". The amount of "on" time for an AGN depends on the amount of cooling it has to counteract, and the researchers say that observations bear this idea out: clusters that are brighter in X-rays are more likely to contain a jet-producing AGN than dimmer clusters. David Rafferty of Leiden Observatory in the Netherlands says the idea is "quite appealing and could well be correct". However, he cautions that "Its importance can only be judged after its predictions have been carefully tested."

Benson is not entirely convinced that the inflow of gas to the black hole is truly periodic – for example, he says it is possible that gas could flow inwards along one direction while flowing outwards in another. However, he agrees that the researchers' predictions, such as how the "on" time of the AGN scales with the mass of the black hole, make the theory testable "which is always the most important thing".

هال کوانتومی به تعریف جدید کیلوگرم کمک می‌کند

در حال حاضر، «کیلوگرم» توسط توده‌ای از فلز در پاریس تعریف شده است. اما اکنون پژوهشگران در انگلستان، فرانسه و سوئد، روش جدیدی را برای تعریف استاندارد بر مبنای ثابت‌های بنیادی تایید کرده‌اند. به‌ویژه، آن ها نشان داده‌اند که مقاومت‌ هال کوانتومی اندازه‌گیری شده در شبه‌رساناها با مقدار بدست آمده برای گرافین با دقت نسبی در حدود 8.6´10^-11 با هم همخوانی دارند. این مقاومت با نسبت ثابت پلانک(h) به مربع بار الکترون(e) داده می‌شود و می‌تواند برای تعریف کیلوگرم به کار رود.

استاندارد کیلوگرم از پلاتینیوم و ایریدیوم ساخته‌شده و در اداره بین‌المللی اوزان و مقادیر(International Bureau of weights and Measure,BIMP) در پاریس نگاه داشته می‌شود. در طی 60 سال، مقایسه‌های زیادی بین این نمونه و معادل‌های یکسان آن، نشان‌داده که جرم آن در حال تغییر است. در نتیجه، دانشمندان به دنبال راهی جدید برای تعریف کیلوگرم با استفاده از ثابت‌های بنیادی هستند. محبوب‌ترین راه استفاده از «توازن وات» است که وزن یک جسم را با نیرویی الکترومغناطیسی مقایسه می‌کند. چنین توازنی بر این اساس است که نسبت h/e² مستقل از جنس ماده به کاررفته در آزمایش است. توزان وات در کنار مقاومت هال کوانتومی، کیلوگرم را بر حسب h تعریف می‌کند.

انحراف الکترون‌ها

اثر هال(Hall effect)، ایجاد یک ولتاژ در دو لبه‌ی یک صفحه فلزی در هنگامی است که جریان الکتریکی در امتداد طولش برقرار میشود. این اثر نیازمند یک میدان مغناطیسی عمود به صفحه است. میدان مغناطیسی باعث می‌شود الکترون‌های متحرک به سمت یکی از لبه ها منحرف شوند. معمولا، تمایل الکترون به تجمع در این لبه بستگی به عواملی همچون چگالی الکترون در ماده و ضخامت صفحه دارد. اثر هال کوانتومی در صفحاتی رخ می‌دهد که آن قدر نازکند که برای الکترون‌ها دوبعدی به نظر می‌رسند. اگر چنین صفحه‌ای در معرض دمای بسیار کم و میدان مغناطیسی زیاد قرار گیرد، ولتاژ هال در مقادیری گسسته (کوانتیزه) می‌شود که به نظر مستقل از مواد استفاده شده است. هنگامی که ولتاژ هال با جریان گذرنده از میان رسانا مقایسه شود، مقاومت هال h/Ne² می‌شود که N یک عددصحیح است.

به گفته جی.تی جانسن (J.T Janssen)، دانشمند آزمایشگاه فیزیکی ملی (National Physical Laboratory,NPL) انگلستان، هنوز نظریه‌ای برای توضیح کامل این موضوع وجود ندارد؛ هرچند، همه آزمایش‌ها تاکنون بر این مقدار جهانی برای مقاومت هال کوانتومی توافق دارند.

مقایسه مستقیم

اکنون جانسن و همکارانش در NPL، دانشگاه چالمرز(Chalmers University) و دانشگاه لینکوپینک(Linkoping University) در سوئد، دانشگاه لنکستر(University Lancaster) در انگلستان و BIMP مقایسه مستقیمی از اثر هال برای دو ماده بسیار متفاوت انجام داده‌اند. یکی از این مواد شبه‌رسانایی از جنس گالیوم-آرسناید داپ شده است که صفحه‌ای دوبعدی از الکترون‌ها تولید می‌کند و دیگری گرافین، تک لایه‌ای از اتم های کربن است. آزمایش‌های قبلی تایید کرده‌اند که دو شبه‌رسانا اثر هال کوانتومی یکسانی دارند، اما این کار جدید اولین بار است که دو ماده با ویژگی‌های الکترونیکی بسیار متفاوت را مقایسه می‌کند. در حالی که الکترون‌های رسانش در گالیوم آرسناید شبیه ذرات جرم‌دار رفتار می‌کنند، الکترون‌ها در گرافین شبیه فوتون‌های بدون جرم هستند.

پژوهشگران از چینش استانداردی استفاده می کنند که مقاومت هال دو نمونه در یکی دو درجه بالای صفر مطلق را مقایسه می کند. جریان های یکسانی از میان نمونه ها عبور کرده تا ولتاژهای هال تولید کنند. برای دیدن اختلاف بین این ولتاژها، آشکارساز جریان بسیار حساسی در مداری که لبه های دو نمونه به هم وصل می کند، قرار میدهند. هیچ جریانی اندازه گیری نشد یعنی ولتاژ نمونه ها یکسان بودند.

چالش‌های مانده

جانسن می گوید:«این دقیق ترین اندازه گیری استقلال اثر هال کوانتومی از مواد است». هرچند، هنوز چالش های مهمی در مورد طراحی و اجرای توازن وات وجود دارد که باید بر آن ها غلبه کرد. به گفته جانسن، مهمترین نکته چالش مکانیکی اجرای توازن است. برای مثال، نیروی تولیدشده توسط سیم‌پیچ مغناطیسی و سرعت آن باید دقیقا با گرانش همراستا باشد. هرچقدر بخواهیم خطای کلی را کاهش دهیم، این جهت‌بندی نیز سخت‌تر می‌شود.

«بازتعریف معیار کیلوگرم اکنون یکی از موضوعات اساسی در سنجش است»، این را الکساندر پنین(Alexander Penin) از دانشگاه آلبرتا(University of Alberta) در ادمونتون کانادا می‌گوید. هفته آینده، سنجشگران در پاریس، در بیست و چهارمین گردهمایی عمومی در مورد اوزان و مقادیر گرد خواهند آمد تا شایستگی توازن وات و دیگر پیشنهادها را برای بازتعریف گیلوگرم به بحث گذارند.

لینک منبع مقاله

Physicists in tune with neurons

Have you ever wondered why certain sets of musical notes sound perfectly melodious while others make you want to cover your ears? Now, physicists in Europe have developed a model that suggests that certain notes sound harmonious because of the consistent rhythmic firing of neurons in the auditory system. The researchers say that they have now quantified this effect by showing that the neural signals are regularly spaced for frequencies that are pleasant sounding, but are erratic for those that are not. They say that their model may also provide insights into other senses, such as vision, that employ similar neural processing systems.

Hitting the right notes

How humans and animals perceive sound has long fascinated scientists because of the brain's amazing ability to process auditory signals. "The auditory sensory system is the most investigated apparatus. But even simple sound signals – pairs of pure tones such as musical chords – are able to cause phenomena that can not be simply explained," says Bernardo Spagnolo of the University of Palermo, Italy, and one of the authors of the study published in Physical Review Letters this month.

As examples, Spagnolo cites two things that musicians take for granted: the "pitch perception" and the "perception of consonance and dissonance". Simply put, perceiving pitch is simply being able to differentiate clear frequencies of sounds, while the perception of consonance and dissonance is being able to tell the difference between harmonious and inharmonious chords. In their current research, the researchers focused on consonance and dissonance perception with the aim of identifying the location and quantity of the signals associated with harmony and disharmony in the brain.

On board the "spike trains"

Hearing involves the conversion of sounds into neural "spike trains". The researchers' model comprises three neural-like elements. Two of these elements represent sensory neurons and are driven by noise at two different frequencies. The outputs of two neurons, in the presence of a "noisy" environment, are synaptically connected with the third neuron, which represents an "interneuron". This is an internal neuron that connects a sensory neuron to other neurons in the brain. In reality there are more than two initial neurons, as the human ear can operate at frequencies of between 20 Hz and 20 kHz and can detect sounds over a range of 120 decibels.

The output spike train of the interneuron is the main focus of the study, which found that if an acoustic signal is transformed by the auditory system into spike trains with a regular distribution of inter-spike intervals, then the signal is perceived as harmonious. But when the inter-spike intervals are irregular, the signal is perceived as inharmonious. At the output of the interneuron, inharmonious input signals give rise to blurry spike trains, while the harmonious signals produce more regular, less "noisy" spike trains.

Senses and sensibility

The research team quantified the regularity of the interneuron output in terms of the entropy of the signal. "This regularity is linearly connected with informational entropy: harmonious chords give rise to high spike-train regularity and so low entropy; inharmonious chords give rise to low spike-train regularity and so high entropy."

Spagnolo points out that the model can investigate the role of external and internal "environmental noise" in the nervous system, with respect to the sensory phenomena of "recognition" and "permanence of information" contained in complex input signals in the brain. "Investigating this process can help to understand which types of input signals are able to survive in the noisy environment of the brain, reveal the mechanism of this process, and explain what it means from a perceptional and cognitive point of view," claims Spagnolo. He also says that studying and understanding the auditory system provides a basis for other less-studied sensory systems "that exhibit the analogous principles of conversion of environment stimuli into the neural spike trains".

نانوسیم های زیگزاگی حرکت براونی را محدود می کنند

فیزیکدانان در ایالات‌متحده تله مغناطیسی ساخته‌اند که می‌تواند ذرات میکروسکوپی را علی‌رغم حرکت براونی آن‌ها به دام اندازد. این تله که بر مبنای نانوسیم‌های مغناطیده با شکل زیگزاگی قرار دارد، می‌‌تواند به محققان در انجام آزمایش‌های شیمیایی و زیست‌شناسی در محیط ریزسیال کمک کند؛ در چنین محیطی سیالات به لحاظ هندسی مقید به مقیاس زیرمیلیمتری هستند.

ریزسیالش(Microfluidics)، حوزه‌ای نوظهور است که شامل انتقال پیکولیتری مایعات از طریق تونل‌هایی با پهنای میکرونی است. توانایی اجرای ازمایش‌ها در واحدهای کوچک، برای بسیاری از پژوهشگران شیمی، زیست‌شناسی و پزشکی مفید است زیرا مجبورند با موادی کار کنند که ترکیب آن‌ها - همانند داروهای جدید - گران یا دشوار است. به‌علاوه، چندین سامانه ریزسیال جدید می تواند با هم تعامل کرده و «آزمایشگاهی روی تراشه» بیافریند که پایه ای برای مطالعات بسیاری از فرایندهای شیمیایی باشند.

نیاز کلیدی ریزسیالش و نانوفناوری به طور عام، توانایی انتقال اجسام در مسیرهایی با طول 100 نانومتر تا 10 میکرومتر است،جایی که افت و خیز های تصادفی و حرکات گرمایی که «حرکت‌ براونی» نامیده می شوند، نقش بزرگی بازی می‌کنند. بدین منظور فنون متفاوتی ابداع گردیده اما هر کدام نواقصی دارند. برای مثال انبرک‌های نوری می‌توانند ذرات را با میدان‌الکتریکی تولید‌شده توسط یک پرتو لیزر متمرکز به دام بیندازند اما این فرایند می‌تواند باعث گرمای موضعی شود. انبرک ‌های دی‌الکتریک با میدانی الکتریکی بین الکترودها، نیز محیط را به شدت مختل می‌کنند.

فرمان های زیگزاگی مغناطیده

اکنون، هارون چن(Aaron Chen) و همکارانش در دانشگاه ایالتی اهایو در کلمبوس ایالت متحده، تله‌ی ذراتی را معرفی نموده‌اند که ممکن است راهی برای برون‌رفت از این مشکلات داشته باشد. تله شامل یک سیم مغناطیده، ساخت‌ شده از آهن و کبالت است. پژوهشگران روی یک سطح سیلسیومی آن را به شکل زیگزاک در آورده اند. آنها ابتدا یک میدان مغناطیسی قوی اعمال کردند و در‌نتیجه نقاط خمیده در راس ها به شدت مغناطیده شده و هر راس شبیه یک تک قطبی مغناطیسی با میدانی که به آن وارد میشود یا از آن خارج میشود رفتار میکند. راس‌ها به این گونه مانند تله های مغناطیسی عمل می کنند. سپس با اعمال میدان‌مغناطیسی ضعیف‌تر، قدرت تله را میزان کرده و این گونه رو رفتار ذرات را کنترل می‌کنند.

در این آزمایش ذرات دی‌اکسید آهن کپسول شده در یک پلیمر مورد استفاده قرار گرفته اند که شعاع کل آنها از 0.28 تا 0.6 میکرومتر است. این ترکیب به ذرات خاصیت ابرپارامغناطیسی می بخشد و در نتیجه می توانند در میدان‌های مغناطیسی نسبتا ضعیف نیز مغناطیده شوند بدون این که مغناطش دایم پیدا کنند. با استفاده از دوربین CCD، محققان دیدند که ذرات در تله ای در حدود 100 نانومتر قرار دارند. به عبارت دیگر، تله می تواند بر حرکت براونی ذرات بدون اتصال کامل به آنها فایق آید. چن و همکارانش اکنون می‌خواهند روش خود را برای تله انداختن بیش از یک ذره گسترش دهند. او می گوید:«بررسی چگونگی [حرکت] و برهمکنش ذرات درون تله، هدف اصلی بعدی ماست.»

لینک منبع مقاله

مدرکی برای وجود جهت ارجح در فضازمان

یکی از بنیادهای اخترفیزیک نوین، اصل کیهانشناسی است که بیان می کند ناظران روی زمین، هیچ دید ارجحی به جهان ندارند و قوانین فیزیک باید در همه جا یکسان باشد. بسیاری از مشاهدات از این ایده پشتیبانی می کنند. برای مثال، جهان در همه جهات کم و بیش، به یک شکل به نظر می رسد و در جاهایی که ما می بینیم، همان توزیع کهکشان ها را دارد.

 

اگرچه، در سال های اخیر، برخی از کیهانشناسان در درستی این اصل تردید کرده اند. آن ها به شواهدی از مطالعه ابرنواختر نوع 1 اشاره دارند که این ابرنواخترها در حال شتاب گیری از ما هستند؛ این یعنی نه تنها جهان منبسط می شود بلکه به شکل شتابدار از ما دور می شود. اما این مدرک چقدر خوب است؟ آیا ممکن است جهت ارجح سرابی آماری باشد که با تحلیل درست داده ها ناپدید گردد؟

رانگ-جن کای (Rong-Gen Cai) و ژونگ-لیانگ تائو (Zhong-Liang Tuo) در آزمایشگاه کلیدی پیشگامان فیزیک نظری در فرهنگستان علوم چین در بیجینگ، داده های 557 ابرنواختر در جهان را دوباره بررسی کردند. آن ها تایید کرده اند که «محور ارجح» واقعیت دارد. بر اساس محاسبات آن ها، بیشترین شتاب در جهت صورت فلکی روباهک (Vulpecula) در نیمکره شمالی است. این نتیجه با دیگر تحلیل ها سازگار است. همچنین مدارک دیگری وجود دارد که جهت ارجحی را در تابش زمینه کیهان نشان می دهد.

در صورت صحت، این موضوع کیهانشناسان را به نتیجه گیری ناخوشایندی وادار می کند: اصل کیهانشناسی نادرست است. اما سوالات جذابی را پیش می کشد: چرا جهان جهت ارجح دارد و ما چگونه باید آن را در مدل های خود به حساب آوریم؟

هسته‌‌ی اتمها میتوانند به شکل میله‌ باشند

هسته اتم‌ها همواره به شکل یک کره و یا یک حجم تخم‌مرغی شکل که از پروتون و نوترون تشکیل شده، متصور می‌شوند. در مقاله‌ای که اخیراً(نهم سپتامبر) در مجلهLetters Physical Review چاپ شده‌است، نشان داده‌شده که شکل‌های عجیب‌تری نیز برای هسته وجود دارد. هسنه‌ای که به سرعت می‌چرخد می‌تواند به شکل زنجیره‌ای از چندین دسته کوچک نوترون و پروتون درآید. این شکل‌های عجیب برای هسته می‌تواند نقش مهمی را در فرآیند تشکیل کربن‌12 و اکسیژن‌16(که عناصر اصلی حیات هستند) در داخل ستاره‌ها ایفا کند. شیوه جدیدی که نویسنده این مقاله در محاسبات خود به کار گرفته، حتی راه را برای بررسی شکل‌های پیچیده‌تر از این نیز باز می‌کند.

اهمیت شکل هسته در اینجاست که این خصوصیت تأثیر مهمی در واکنش‌های هسته‌ای، مثل واکنش‌هایی که در ستارگان رخ می‌دهد، دارد. اگر هسته‌ای به اندازه کافی سریع بچرخد(معمولاً این چرخش سریع در اثر برخورد و ترکیب دو هسته کوچکتر رخ می‌دهد) از حالت کره و یا بیضی تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل که سبب می‌شود هسته حالتی شبیه به یک میله پیدا کند به دلیل تأثیر دو نیروی هسته‌ای قوی(که پروتون‌ها و نوترون‌ها را کنار یکدیگر نگه می‌دارد) و نیروی گریز از مرکز(که آن‌ها را از هم جدا می‌کند) به وجود می‌آید. طبق نتایجی که از آزمایش بدست آمده نسبت عرض به طول برای این هسته‌های میله‌ای شکل سنگین یک به دو و یا یک به سه مشاهده شده است، اما برای هسته‌های سبک مثل کربن و اکسیژن با وجود اینکه نشانه‌هایی مبنی بر وجود هسته‌های تغییر شکل یافته در دست است، اما هیچ نتیجه مستقیمی در آزمایشگاه مشاهده نشده‌است.

در بررسی این تغییرشکل‌ها به جای کار بر روی خود نوکلئون‌ها و نیروی بین آن‌ها، بیشتر محاسبات نظری بر روی ذرات آلفا که نوکلئون‌ها را تشکیل می‌دهند، یعنی پروتون‌ها و نوترون‌ها، صورت گرفته‌است. بررسی ذرات آلفا معمولاً تقریب خوبی است که سبب می‌شود محاسبات کمتر شود. اما با این وجود نظری‌کاران بر این عقیده‌اند که برای در نظر گرفتن نوکلئون‌ها به تنهایی به عنوان ذرات اساسی تشکیل‌دهنده عناصر، به درک عمیق‌تری از ماهیت آن‌ها نیاز داریم.

تاکاتوشی ایچیکاوا ( Takatoshi Ichikawa) از دانشگاه کیوتو و همکارانش از روشی به نام هارتری-فوک(Hartree-Fock) برای بررسی چرخش هسته اتم اکسیژن‌16 استفاده کرده‌اند. این گروه برهم‌کنش بین هسته‌ها را برحسب نیروهای اسکیرم(Skyrme) که تقریبی از همان نیروی هسته‌ای قوی است، توصیف کرده‌اند. علاوه بر این، آن‌ها توزیع سه بعدی چگالی نوکلئون که در واقع نشان‌دهنده شکل هسته است، را نیز پیدا کرده‌اند.

نتیجه مهم دیگری که این گروه در محاسباتشان به آن رسیدند این بود که، در فرکانس‌های چرخشی کمتر از یک و نیم مگاالکترون‌ولت برħ (کهħ به صورت ثابت پلانک تقسیم بر 2π تعریف می‌شود) هسته‌ها به شکل کره باقی می‌مانند، اما در فرکانس‌های حدود 2 مگا الکترون‌ولت برħ به صورت یک آرایش خطی متشکل از چهار ذره آلفا در می‌آیند. اگر هسته با سرعتی بیش از این بچرخد از هم می‌پاشد. این آرایش زنجیره‌ای شکل برای هسته با هر اندازه‌ای، هرگز به عنوان یک حالت پایدار در محاسبات در نظر گرفته نمی‌شود. اما نظری‌کاران عقیده دارند که چنین ساختارهایی می‌تواند وجود داشته‌باشد. محاسبات بیشتر توسط این گروه نشان داد، هنگامی که یک هسته اکسیژن‌16 از برخورد دو هسته برلیوم‌8 ایجاد شود چنین شکلی به وجود می‌آید.

سایت عمر(Sait Umar) از دانشگاه واندربیلت(Vanderbilt) اعتقاد دارد که "این آرایش خطی، اهمیت اساسی در ساختار و دینامیک این سیستم‌ها دارد و می‌تواند در فرآیند تشکیل کربن‌12 و اکسیژن‌16(در اثر برخورد هسته‌های کوچکتر) در درون ستارگان مهم باشد." این گروه امیدوارند در تحقیقات آینده با استفاده از تکنیک‌هایی که به کار می‌گیرند آرایش‌های خطی با طول بیشتر و یا حتی آرایش‌هایی به صورت چند ضلعی مشاهده کنند.

لینک منبع

ثبت رکوردهای زمانی جدید برای ارتباط نوری کوانتومی

مخابرات کوانتومی گزینه ای برای انتقال امن اطلاعات به شمار می آید. مهمترین قسمت مخابرات کوانتومی بین مسافتهای طولانی پدیده ای خاص است که به درهم‌تنیدگی (entanglement) کوانتومی بین دو سیستم اتمی معروف است. درهم‌تنیدگی کوانتومی بین دو سیستم اتمی بسیارضعیف است و تا کنون محققان توانسته اند که این درهم‌تنیدگی را تا کسری از ثانیه حفظ کنند. اما به تازگی در آزمایشهایی که در انیستیتو نیلز بور (Niels Bohr Institute) انجام شده است˛ محققان موفق شده اند رکورد جدیدی را به ثبت برسانند و درهم‌تنیدگی کوانتومی را تا بیش از یک ساعت حفظ کرده اند. نتایج این تحقیقات در مجله علمی(Physical Review Letters) به چاپ رسیده است.

درهم‌تنیدگی کوانتومی پدیده ای بسیار عجیب در کوانتوم مکانیک به شکار می آید به گونه ای که آلبرت انیشتین آن را "spukhafte Fernwirkung " (به معنی پدیده ای شبحوار) نامیده است. برای دو سیستم کاملا مستقل که به طور کوانتومی درهمتنیده اند یک نوع ارتباط شبح وار وجود دارد حتی در شرایطی که این دو سیستم در فاصله بسیار دوری از هم قرار گرفته باشند و هیچ نوع ارتباط مستقیمی بین آنها بر قرار نباشد. در این صورت می گویند که این دو سیستم در حالت های کوانتومی درهم‌تنیده قرار گرفته اند و این به معنی آن است که اگر اطلاعات یک سیستم را بخوانیم سیتم دیگر معین می شود. در آزمایش هایی که در انیستیتو نیلز بور انجام شده اسپین اتمهای دو ابر گازی سزیم درهم‌تنیده‌ی کوانتومی هستند.

کنترل فرآیند خودبه خود

برای ایجاد حالت درهم‌تنیده برای دو ابر اتمی˛ محققان از نور استفاده می کنند. نور از فوتون ها تشکیل شده است که کوچکترین اجزای (کوانتای) یک پالس نور هستند. وقتی شما یک پرتو لیزر را بر اتم ها می تابانید، فوتون ها جذب شده و طی فرآیند کاملا خودانگیز بازتاب می شوند. این فرآیند خود به خودی یک مانع برای این آزمایش به حساب می آید چون قابل کنترل نیست. اوگن پولزیک( Eugene Polzik)پروفسور و مدیر بنیاد ملی تحقیقات کوانتاپ (Quantop) در انیستیتو نیلز بور واقع در دانشگاه کوپنهاگ توضیح می دهد: "در حال حاضر ما این فرآیند خود به خود را کنترل کرده و از آن استفاده می کنیم."

حفظ درهم‌تنیدگی

در آزمایشگاه کوانتاپ گروه تحقیقاتی به کمک دو ابر از اتم های سزیم در دو محفظه شیشه ای جدا آزمایش هایی را در مورد درهم‌تنیدگی کوانتومی انجام داده اند. با تاباندن نور لیزر بر هر دو ابر اتمی اسپین های اتم ها را کنترل کرده دو ابر اتمی درهم‌تنیده می شوند که بدان معنی است که ویژگی های آنها به هم وابسته می شوند. اما اتم ها، فوتون ها را در تمام جهت ها ساطع می کنند و این منجر به از بین رفتن درهم‌تنیدگی می شود. این اتفاق معمولا در کسری از ثانیه رخ می دهد.

هانا کراتر (Hanna Krauter) یکی از محققان کوانتاپ در انیستیتو نیلز بور توضیح می دهد: "کاری که ما انجام داده ایم گسترش تکنیکی است که به کمک آن بتوانیم به همان سرعت که درهم‌تنیدگی از بین می رود دوباره آن را تجدید کنیم. با این روش می توان درهم‌تنیدگی کوانتومی بین دو ابر اتمی را تا زمانی که آزمایش به طول می انجامد حفظ کرد یعنی تا بیش از یک ساعت."

از نظریه تا واقعیت

تحقیقاتی با همکاری مرکز اپتیک کوانتومی انیستیتو ماکس پلانک در آلمان انجام شده است که بر روی مدل های نظری کار می کند. فیزیکدانان نظری در حدود پنج سال است که تکنیک های مشابه ای را پیشنهاد کرده اند اما به تازگی گروه NBI موفق شدند به صورت تجربی آزمایش هایی بر مبنای این روش را عملی کنند. پروفسور ایگن پولزیک ( Eugene Polzik) اینگونه توضیح می دهد: " این پیشرفت پتانسیل و نتایج مفیدی را به دنبال دارد از طرفی یک رویکرد جدید برای مخابرات کوانتومی به شمار می آید. این موضوع قدمی است به سمت عملی ساختن مخابرات کوانتومی نه تنها در آزمایشگاه بلکه در دنیای واقعی ارتباطات. به علاوه به معنای پیشرفتی در اندازه گیری میدان های مغناطیسی ناچیز به وسیله مغناطیس سنج های اتمی می باشد. مغناطیس سنج حساس برای اندازه گیری فعالیت الکتریکی در مغز و قلب انسان استفاده می شود."

لینک منبع

Radioactive decay accounts for half of Earth's heat

About 50% of the heat given off by the Earth is generated by the radioactive decay of elements such as uranium and thorium, and their decay products. That is the conclusion of an international team of physicists that has used the KamLAND detector in Japan to measure the flux of antineutrinos emanating from deep within the Earth. The result, which agrees with previous calculations of the radioactive heating, should help physicists to improve models of how heat is generated in the Earth. Geophysicists believe that heat flows from Earth's interior into space at a rate of about 44 × 10¹² W (TW). What is not clear, however, is how much of this heat is primordial – left over from the formation of the Earth – and how much is generated by radioactive decay.

The most popular model of radioactive heating is based on the bulk silicate Earth (BSE) model, which assumes that radioactive materials, such as uranium and thorium, are found in the Earth's lithosphere and mantle – but not in its iron core. The BSE also says that the abundance of radioactive material can be estimated by studying igneous rocks formed on Earth, as well as the composition of meteorites.

As a result of this model, scientists believe that about 20 TW is generated by radioactive decay – 8 TW from the uranium-238 decay chain; 8 TW from the thorium-232 decay chain and the final 4 TW from potassium-40. Fortunately, these decay chains also produce anti-electron-neutrinos, which travel easily through the Earth and can be detected, thereby giving physicists a way to measure the decay rates and ultimately the heat produced deep underground.

Decay and measure

In 2005 researchers at KamLAND announced that they had detected about 22 such "geoneutrinos", while last year scientists at the Borexino experiment in Italy said they had detected 10. Now, the KamLAND team has bagged a total of 111 of these tiny almost massless particles. The combined results have allowed the KamLAND team to conclude that the heat flux due to the uranium and thorium decay chains is about 20 TW with an uncertainty of about 8 TW. While the KamLAND experiment cannot detect the lower-energy antineutrinos from potassium-40 decay, the researchers believe that the value predicted by the BSE model of 4 TW is correct.

Although 20 TW from uranium and thorium is more than the 16 TW predicted by the BSE model, it is still within the experimental uncertainty – and is much less than the total flux of 44 TW. "One thing we can say with near certainty is that radioactive decay alone is not enough to account for Earth's heat energy," says KamLAND collaborator Stuart Freedman of the Lawrence Berkeley Laboratory in California. "Whether the rest is primordial heat or comes from another source is an unanswered question."

One possibility that has been mooted in the past is that a natural nuclear reactor exists deep within the Earth and produces heat via a fission chain reaction. Data from KamLAND and Borexino do not rule out the possibility of such an underground reactor but place upper limits on how much heat could be produced by the reactor deep, if it exists. KamLAND sets this limit at about 5 TW, while Borexino puts it at about 3 TW.

Oil-filled balloon

The KamLAND detector is a huge balloon filled with 1000 tonnes of mineral oil that is monitored by more than 1800 photomultiplier tubes. It is located deep underground in a Japanese mine to shield the detector from cosmic rays. Very occasionally an antineutrino will react with a proton in the oil to create a neutron and a positron. The positron travels a short distance through the oil, giving off a flash of light as it ionizes oil molecules. The positron then annihilates with an electron to create two gamma-ray photons. These two processes happen very quickly and the light can be detected by the photomultiplier tubes. In addition, the energy of the antineutrino can be estimated from the amount of light given off during ionization.

A few hundred milliseconds later, the neutron is captured by a proton to form a deuteron. This results in the emission of a gamma ray, which can also be detected by the photomultiplier tubes. By looking for signals in the photomultiplier tubes that are separated by the appropriate amount of time, KamLAND can discriminate between extremely rare antineutrino events and the much more common signals due to background radiation.

Galaxy classification is out of tune, say astronomers

The way galaxies have been classified for decades has been questioned by an international team of astronomers. After revealing that two-thirds of local elliptical galaxies are actually fast-spinning discs, the team has suggested that the Hubble "tuning fork" – the long-standing method for classifying galaxies – may need retuning. Galaxies come in all shapes and sizes: from flat spinning discs to almost-stationary blob-like elliptical galaxies. However, accurately classifying these huge objects can sometimes be tricky due to the angle from which they are observed. When seen face-on, older disc galaxies that have lost their distinctive dust lanes and spirals can masquerade as equally featureless, but spherical, elliptical galaxies. Elliptical galaxies are thought to have very little net rotation whereas disc galaxies rotate much faster. Measuring their rotation speed can therefore help distinguish between them.

Such a test has been performed using the ATLAS^3D survey, led by Michele Cappellari at the University of Oxford, UK. The survey consists of 260 non-spiral galaxies in the nearby universe. "We divided each galaxy up into a grid and took spectra for each individual section," Cappellari told physicsworld.com. "By analysing these spectra we could measure the red-shift, or the blue-shift, of each section," he adds. If an area shows a red-shift, it is moving away from us; if it shows a blue-shift, it is coming towards us. If one limb of a galaxy is red-shifted and the opposite limb is blue-shifted then the galaxy must be rotating, and you can measure how fast.

More rotating discs

What surprised Cappellari and his colleagues was that 66% of the galaxies previously classified as elliptical were now shown by ATLAS^3D to be fast-rotating discs. "Two-thirds of these galaxies are essentially no different from spirals that have had the gas and dust removed – they are 'naked' spirals," Cappellari explains. "Such a large fraction is not something one can ignore; it brings a significant change to our understanding of galaxy formation," he continues. This had led the team to make a distinction between non-spiral galaxies: the conventional ellipticals are "slow rotators" and the naked spirals are "fast rotators".

The result is threatening to overturn more than 80 years of conventional wisdom. Astronomers currently classify galaxies using a "tuning fork" diagram constructed by Edwin Hubble in the mid-1920s. His fork has non-spiral galaxies forming the handle, with the two different flavours of spiral galaxies – those with and those without barred centres – constituting the prongs. However, Cappellari's result shows that fast rotators may be more closely related to spirals than previously thought. "We feel our result could re-write the way textbooks on galaxy structure are written," he says. The iconic Hubble tuning fork image could be replaced by the ATLAS^3D "comb". The handle of the comb is formed by non-spiral galaxies in the order of their rotation speed, from slowest to fastest. The spiral galaxies then form three teeth, which attach to the handle at the end containing their fast-rotating, but naked, cousins. "In future when classifying galaxies in projects such as Galaxy Zoo, this is the picture that needs to be kept in mind," explains Cappellari.

Extending the survey

"It is an important result," says Karen Masters of the University of Portsmouth, UK, who uses data from Galaxy Zoo in her research. "Currently these fast rotators would likely be classified on Galaxy Zoo as non-disc galaxies because they are smooth and featureless. This research is showing that a large fraction of these galaxies do have a spinning disc, just one that can't be seen from the image. You have to go in and look at the dynamics," she told physicsworld.com. "It is a beautiful data set and it will be very interesting to see what happens if the survey is extended to include a larger sample," she adds. Cappellari is planning just that. "I am involved in a proposal to increase our sample size by a factor of 100," he explains. But he is keen to stress that future results should not distract from these current findings. "No matter what we find in the future, we already have a major reinterpretation of the structure of local galaxies," he says.

Famous black hole confirmed after 40 years

Using a vast array of radio telescopes, astronomers in North America are the first to make a direct measurement of the distance to Cygnus X-1, allowing them to conclude that the mass of its dark star is so great it can only be a black hole. They have also discovered that the black hole spins faster than most of its peers. "There's no doubt about its distance now, and there's not much uncertainty anymore about its mass," says Mark Reid of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts. "It's definitely a black hole."

A black hole is a star that has run out of fuel and died, collapsing into a small body with such enormous gravity that nothing escapes its grip. First identified as harbouring a possible black hole in 1971, Cygnus X-1 was one of the first sources of X-rays discovered by astronomers. It is found in the constellation Cygnus the Swan, also known as the Northern Cross, and is one of the most studied objects in the sky. It even inspired a 10-minute song by the Canadian rock band Rush about how the stars of the Northern Cross were "in mourning for their sister's loss".

A neutron star instead?

However, some scientists were sceptical of its black hole and in 1974 Stephen Hawking bet Caltech's Kip Thorne that Cygnus X-1 did not have a black hole. Instead, the dark object might be a neutron star, a less extreme type of dead star. The key to the controversy involved a mundane fact: its distance from Earth.

The dark star in Cygnus X-1 orbits a hot blue star every 5.6 days. But without knowing its distance from us, no-one could say how much light the blue star emits. The closer Cygnus X-1 is to us, the less powerful this star must be, therefore the less mass it must have. And the less massive this star, the less mass the dark star whose gravity tugs the bright one has. If the dark star has less than three times the Sun's mass, it could be a neutron star rather than a black hole.

Recent distance estimates have favoured a higher mass – Hawking conceded defeat two decades ago – but these have been indirect. The best way to measure distance is through parallax – the small shift in a star's apparent position that results as we view it from different perspectives while Earth goes around the Sun. But Cygnus X-1 is so distant that optical astronomers can't measure its tiny parallax.

Huge array of telescopes

Fortunately, Cygnus X-1 emits radio waves, so Reid and his colleagues took aim at the object with the Very Long Baseline Array (VLBA), which consists of ten 25 m radio telescopes scattered from New England and the Virgin Islands to California and Hawaii. This huge array measures positions 100 times better than the Hubble Space Telescope.

"Cygnus X-1 produced beautiful data," says Reid, "and we were able to get a very accurate distance." The parallax indicates that Cygnus X-1 is 6050 light-years from Earth, with an uncertainty of just 400 light-years. From this the astronomers deduce that the dark star is 14.8 times more massive than the Sun; the uncertainty is just one solar mass, so the object is far above the dividing line between neutron stars and black holes. The blue star it orbits is even more massive, at about 19 solar masses.

"The radio estimate of the parallax is a wonderful achievement," says Douglas Gies, an astronomer at Georgia State University in Atlanta who is not affiliated with the research team. "It is an extraordinary result."

Spinning rapidly

The researchers also found that the black hole spins at 97% of its maximum possible speed. They deduce this by observing X-rays from a disc of hot gas that whirls around the black hole – gas that the black hole has torn from its unfortunate partner. The general theory of relativity says that the faster a black hole spins, the closer an object can circle it on a stable orbit. The part of the gaseous disc closest to the black hole is the hottest. For Cygnus X-1, the inner edge is so hot that it must be very close to the black hole, thus the black hole spins fast. The gas at the disc's inner edge revolves at half the speed of light, completing 670 orbits every second.

نظریه صفر درباره پیدایش جهان هستی

صفر در ریاضیات باطن هستی اعداد است و در مقوله ریاضیات اعداد به‌صورت مثبت و منفی از صفر به‌وجود می‌آیند و یا از بین می‌روند؟

ناظری که فقط یک طرف هستی را می‌بیند، از طرف دیگر هستی بی‌خبر است. ناظری که تنها اعداد مثبت را می‌بیند، از وجود اعداد منفی بی‌خبر است. از منظر نگاه او اعداد منفی ناپدیداند و یا هیچ انگاشته می‌شوند. برعکس نظاری که فقط اعداد منفی را می‌بیند، از وجود اعداد مثبت بی‌خبر است و از دید او اعداد مثبت ناپدیدند و یا هیچ به حساب می‌آیند. اما ناظری که به‌جای تمام ناظران متضاد هستی در نظر گرفته می‌شود، یکتانگر است و از دید او اعداد مثبت و منفی از صفر به‌وجود می‌آیند و در یک روند قانونمند از بین می‌روند، این ناظر به‌عبارتی ناظر صفر هستی نامیده می‌شود.

بنابراین ناظر صفر فرایند کلانی را نظاره‌گر است که براساس آن، صفر به مجموعه صفرها تجزیه شده و سپس از از صفری جفت اعداد مثبت و منفی به‌وجود می‌آیند و سرانجام به دو هستی متضاد، یکی مجموعه اعداد منفی و دیگری مجموعه اعداد مثبت تجزیه می‌شوند.

یعنی از عالم صفر، دو عالم متضاد هستی اعداد مثبت و منفی به‌وجود می‌آیند که حالت تقارن کامل اعداد جبری است و این فرایند به‌صورت معکوس انجام می‌شود. به‌طوری‌که جزءهای مثبت و منفی دو عالم متضاد اعداد جفت شده و مجموعه جفت‌های متضاد اعداد را به‌وجود می‌آورند و درنهایت تمام اعداد صفر شده و نابود می‌شوند.

نقطه در هندسه:

نقطه هندسی باطن هستی اشکال است و بعد ندارد ولی فصل مشترک تمام ابعاد در تمام جهات است. اما در ظاهر هر نقطه منشأ پیدایش تمام تمام اشکال هندسی است. به‌طوری‌که تمام خطوط و سطوح و حجم‌ها در جهات متضاد از مجموعه نقاط تشکیل یافته است.

بنا بر این ناظر صفر می‌بینید که در فضای تهی، نقطه به مجموعه نقاط تجزیه شده و سپس از هر مجموعه نقاط، جفت خطوط و سطوح و حجم‌ها در جهات متضاد به‌وجود می‌آیند و بالاخره به دو هستی، یکی به مجموعه خطوط و سطوح و حجم‌های مثبت و دیگری به مجموعه خطوط و سطوح و حجم‌های منفی تجزیه می‌شوند. یعنی در فضای تهی از نقطه، دو فضای متضاد مثبت و منفی به‌وجود می‌آیند.

این حالت تقارن کامل اشکال هندسی و نقطه برگشت‌پذیر است. از اینجا به بعد برعکس روند پیش گفته رخ می‌دهد و اشکال هندسی از بین رفته و به عالم نقطه در فضای تهی تبدیل می‌شوند. نتیجه این‌که در فضای تهی، از نقطه دو فضای متضاد مثبت و منفی اشکال در جهات مختلف به‌وجود آمده و از بین می‌روند. خواص متضاد و نابودی خواص متضاد از خاصیت صفر هستی یا نیستی ناشی می‌شوند.

اگر دو چیز درهم ادغام شده و یک چیز واحد را تشکیل دهند، خواص متضاد آنها صفر شده و ناپدید می‌شوند، اما وقتی یک چیز واحد از هم جدا می‌شوند، به دو چیز جزئی با خواص متضاد تبدیل می‌شوند.

در پیدایش خواص متضاد الکتریکی، ذره الکترون با خاصیت بار الکتریکی منفی در مقابل ذره پروتون با خاصیت بار الکتریکی مثبت بر اثر متلاشی شدن ذره نوترون با بار الکتریکی صفر (خنثی) پدیدار می‌شود. برعکس در نابودی خواص متضاد الکتریکی اگر دو ذره الکترون منفی و پروتون مثبت درهم ادغام و یکی شوند، تبدیل به ذره نوترون با خاصیت الکتریکی صفر می‌شود.

نتیجه این‌که از خاصیت صفر، دو خاصیت متضاد هستی به‌وجود می‌آیند و برعکس از ترکیب آنها دو خاصیت متضاد از بین رفته و به صفر تبدیل می‌شود. اگر پس از شکافته شدن ذره نوترون به دو ذره الکترون و پروتون که بین آنها فاصله افتاده و خلأ ایجاد می‌شود، این دو ذره الکترون و پروتون را با هم ذره واحدی با خاصیت جدید اتم هیدروژن بنامیم، در این حال نیز بار الکتریکی اتم هیدروژن صفر است.

ولی اگر جسمی به جرم M را مستقل در نظر بگیریم، نیروهای عمل و عکس‌العمل در آن مشاهده نمی‌کنیم و نتیجه نیروهای وارد بر آن از طرف خود جسم صفر است. اما اگر جسم به جرم M را به دو جسم و به جرم‌های m1 و m2 جدا از هم تجزیه کنیم، به‌طوری‌که بین آنها فاصله بیفتد و خلأ ایجاد شود.

در این صورت پیدایش نیروی گرانشی در جسم اول به‌نام نیروی عمل F1 در مقابل پیدایش نیروی گرانشی در جسم دوم بنام نیروی عکس‌العمل F2 از نیروی صفر (نیرویی که قبلا به‌نظر نمی‌رسید) می‌باشند و اگر مجموع دو جسم به جرم‌های m1 و m2 را که از هم فاصله گرفته‌اند، جسم جدیدی به جرم (M=m1+m2) بدانیم، در این صورت با خاصیت نیروی آن صفر شده در نیروهای عمل و عکس‌العمل ناپدید می‌شوند.

طبق آزمایش یانگ در نوارهای تاریک امواج نورانی متضاد با دامنه‌های متقارن وجود دارد که درنتیجه انرژی نورانی صفر شده و از نظرها ناپدید می‌شوند. می‌توان گفت که از دو نوع انرژی نورانی تکرنگ و یکسان با دامنه‌های متضاد، انرژی صفر یا تاریکی به‌وجود می‌آید، برعکس از تجزیه تاریکی، دو نوع انرژی نورانی با دامنه‌های متضاد ایجاد می‌شوند.

براساس پیش‌گفته‌های فوق می‌توان نظریه صفر را چنین بیان کرد: پیدایش هستی هر چیز برمبنای صفر (نیستی) با خواص معینی برای رسیدن به مقدار ثابت معین (بقاء) درنهایت به صفر (نیستی)، در مقابل پیدایش هستی چیز دیگری از صفر «نیستی» با خواص معین برای رسیدن به مقدار ثابت معین (بقاء) درنهایت به صفر (نیستی) تعریف می‌شود. قطعا قانون معینی بین آن دو چیز (پدیده) و خواص آنها وجود دارد. به‌طوری‌که در هر حال نتیجه کلی پیدایش آن دو چیز (پدیده)، صفر (نیستی) است. عبارت هر چیز دلالت بر ماده و غیرماده می‌کند.

ناظری که با تفکر صفر با کل زوایای دید مثبت و منفی به هستی نگاه می‌کند، تمام جوهرهای مثبت و منفی را با یک قانون صفر هستی می‌بیند و «ناظر صفر» نامیده می‌شود، بنابراین «ناظر صفر» ناظری است که تمام هستی را یک‌جا می‌بیند که با تمام جوهرهای هستی متضاد به کمک هم از صفر به‌وجود می‌آیند و به مقدار ماگزیمم می‌رسند و نابود می‌شوند.

وقتی n ذره با جرم m در بی‌نهایت نزدیک به نقطه صفر مرکز پیدایش جهان هستی متمرکز باشند باید جرم بیشتر ذرات به انرژی تبدیل شوند تا این ذرات در حوالی نقطه صفر در داخل هم قرار بگیرند، این انرژی بسیار عظیم را انرژی آیت EA می‌نامند.

بنابراین جرم اغلب ذرات بی‌نهایت نزدیک به نقطه صفر از بین رفته و برای نگهداری آنها فقط انرژی آیت EA مورد نیاز است. به همین ترتیب ضدجرم اغلب ذرات مقابل در بی‌نهایت نزدیک به نقطه صفر از بین رفته و برای نگهداری آنها فقط به ضدانرژی آیت EA لازم است. انرژی و ضدانرژی آیت خودبه‌خود به‌وجود نیامده‌اند، بلکه به کمک یکدیگر از انرژی صفر ایجاد شده‌اند.

در فیزیک امروزه پیدایش جهان هستی را طبق رابطه انیشتین E=mc2 از انرژی و جرم می‌دانند که به یکدیگر قابل تبدیل‌اند و بقیه خواص فیزیکی به یک نحوی با انرژی رابطه دارند چون تقارنی برای جرم و انرژی نمی‌دانند. بنا بر این تقارن در پیدایش جهان هستی شکسته می‌شود زیرا در فیزیک امروزی بررسی کردن قوانین یک طرف هستی بدون در نظر گرفتن طرف دیگر هستی ناقص است.

طبق اصل بقا انرژی نسبیتی کل E=mc2=k+mc2 مجموع کل جرم و انرژی موجود در عالم ماده را ثابت می‌دانند و این اصل یعنی بررسی قوانین مربوط به یک طرف هستی است که تقارن ندارد. برای تکمیل آن می‌توان از نظریه صفر استفاده کرد و تقارنی به آن داد.

 برای کامل کردن اصل بقاء انرژی نسبیتی کل انیشتین طبق نظریه صفر باید سه اصل دیگر نیز به آن اضافه کرد. بنابراین از نظر ناظر صفر پیدایش جهان هستی به‌صورت چهار اصل زیر است:

اصل اول: اصل بقاء جرم و انرژی در عالم ماده – جرم و انرژی در عالم ماده به خودی خود به‌وجود نمی‌آیند و به‌خودی خود از بین نمی‌روند بلکه به کمک ضدجرم و ضدانرژی از صفر به‌وجود آمده و از بین می‌روند، به‌طوری‌که مجموع کل جرم و انرژی موجود در عالم ماده مقداری است ثابت و می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند.

اصل دوم: (اصل بقاء ضدجرم و ضدانرژی در عالم ضدماده) ضدجرم و ضدانرژی در عالم ضدماده به خودی خود به‌وجود نمی‌آیند و از بین نمی‌روند بلکه به کمک جرم و انرژی از صفر به‌وجود می‌آیند و از بین می‌روند به‌طوری‌که مجموع کل ضدجرم و ضدانرژی موجود در عالم ضدماده مقداری است ثابت و می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند.

اصل سوم: اصل نیستی (عالم غیب)، عالم نیستی یا غیب عالم واحدی است که در یک نقطه هندسی تمام ذرات متضاد دو عالم ماده با خاصیت معین و ضدماده با خاصیت معین در این نقطه ادغام شده و یک ذره متمرکز با خاصیت معین در این نقطه ادغام شده و یک ذره متمرکز با خاصیت صفر است.

اصل چهارم: اصل هستی: هنگام به‌وجود آمدن هستی از عالم نیستی تمام ذرات متمرکز در یک نقطه با خاصیت صفر به‌نام نقطه صفر شناخته شده و دو عالم متضاد هستی یکی عالم ماده با اصل بقاء (جرم و انرژی) برای ذرات عالم ماده و دیگری عالم ضدماده با اصل بقاء (ضدجرم و ضدانرژی) برای ضدذرات عالم ماده به‌وجود آمده‌اند.

چون ما در جهان ماده هستیم و پس از شناخته شدن جهان هستی از عالم ضدماده دور شده‌ایم از وجود عالم ضدماده بی‌خبریم، اما امکان پخش ذرات ضدماده در اثر برخورد با زمین و یا سیارات دیگر از اصل بقاء جرم و انرژی پیروی نکرده‌اند، این‌گونه مشاهدات وجود عالم ضدماده را خبر می‌دهد، به‌طوری‌که دانشمندان نباید از مطالعه عالم ضدماده غافل بمانند.

Milky Way stars born from intergalactic gas

Astronomers using the Hubble Space Telescope may have solved the mystery of how the Milky Way continues to spawn new stars at a consistent rate despite its diminishing gas reserves. They say the galaxy is being supplied by clouds of gas originating from outside of the Milky Way, and that these findings could help refine our knowledge of galaxy evolution.

The Milky Way currently converts 0.6–1.45 solar masses' worth of gas into new stars every year, depleting the galaxy's gas reserves. Yet the star formation rate doesn't seem to be dropping, which suggests that something must be replenishing the supply. Ionized High Velocity Clouds (iHVCs), fast-moving conglomerations that move with a haste that cannot be explained by the rotating disc of the galaxy, are a proposed culprit. One suggestion is that they could be remnants from the formation of the 30+ galaxies in the Local Group, drawn in by the Milky Way's gravity. If they do originate beyond the galactic disc, and then fall onto it, they could be bolstering the amount of gas in the galaxy.

It is not clear how large these clouds are but they were first found when astronomers noted that some of the light from distant quasars was being absorbed by objects near the edge of the galaxy. However, the huge distances involved meant it was unclear whether the iHVCs were directly associated with the Milky Way's halo – the diffuse sphere that surrounds the galaxy – or existed beyond it. In order to solve this problem, Nicholas Lehner and Jay Christopher Howk, of the University of Notre Dame, US, adapted the quasar technique.

"Instead of observing quasars, we observed stars within the Milky Way's halo", Lehner told physicsworld.com. The pair observed 28 halo stars with the Hubble Space Telescope, 14 of which showed similar absorption lines in their spectra to the original quasars observations – the presence of an iHVC was revealed. The distance to these stars is well known, and so gives the maximum possible distance of the iHVC that has now been incorporated into the galaxy.

Why doesn't the galaxy run out of gas?

Knowing the distance is the first piece in a jigsaw. "The mass of the iHVC is proportional to the distance squared," explains Lehner. Lehner and Howk then used the original quasar observations to model the likely distribution of these iHVCs across the sky. Knowing where they are, how much gas they contain and how fast they are moving allowed the pair to estimate how much gas should fall on the Milky Way per year. "We predict that between 0.8 and 1.4 solar masses of material from iHVCs falls onto the Milky Way annually," says Lehner. Compare that to the 0.6–1.45 solar masses consumed in star formation every year, and there is a potential answer to why the galaxy doesn't run out of gas: it is commandeering it from intergalactic space.

"They found the magic number," Filippo Fraternali, who researches iHVCs at the University of Bologna, Italy, told physicsworld.com. "It is not 0.1 or 100 solar masses in-filling each year, but very close to one – this is an important result," he adds. However, the result isn't water-tight. "It is the right approach, but there are big assumptions that may change that final number quite a bit," Fraternali explains. He would like to see a much bigger sample than the original 28. "It is hard to get good statistics on a sample of that size," he says.

Now that they are confirmed halo objects, Lehner is planning just that. "We're going to go back to the quasar database, which is much larger than our stellar sample," he explains. "If we want to understand how galaxies evolve then we need to understand how this gas gets in and out of them," he adds.

مفهوم ماده تاریک شاید فقط توهمی است که برای قطبیدگی گرانشی خلا کوانتومی به وجود آمده باشد

یکی از بزرگترین مسائل حل نشده در اخترفیزیک این است که با توجه به میزان مقدار ماده باریونی موجود در جهان، کهکشانها و خوشه های کهکشانی سریعتر از آنچه انتظار می رود می چرخند. رخ دادن چرخشهای سریعتر مستلزم آن است که جرم ناحیه مرکزی بیشتر از جرم ستاره ها، گرد و غبار و سایر اجسام باریونی درون آن باشد و این موضوع باعث شده دانشمندان به این فکر کنند که احتمالا هر کهکشان داخل یک حلقه از ماده تاریک که از ذرات غیرباریونی تشکیل شده قرار گرفته است.

دراگان اسلاوکو هاجداکویک (Dragan Slavkov Hajdukovic) که در سرن مشغول به کار است یکی از کسانی است که به مفهوم ماده تاریک مشکوک است. او اعتقاد دارد احتمالا مفهوم ماده تاریک فقط توهمی است که به خاطر قطبیدگی گرانشی خلا کوانتومی به وجود آمده است.

او می‌گوید: "اصلی ترین پیامی که می توان از مقاله من دریافت کرد این است که احتمالا ماده تاریک وجود ندارد و این پدیده که به عنوان ماده تاریک تا به حال در نظر گرفته می شده را احتمالا می توان به کمک قطبیدگی گرانشی خلا کوانتومی توجیه کرد. آزمایش ها و مشاهدات آینده این موضوع را روشن می کنند که آیا نتایجی که من به دست آوردم فقط عددهای تصادفی هستند یا اینکه آغاز یک انقلاب در دانش امروز خواهند بود."

مقاله هاجدوکویک در مورد جایگزین ماده تاریک، تلاشی است برای فهمیدن پدیده های کیهانشناسی بدون وارد کردن شکل های ناشناخته از ماده و انرژی و یا مکانیزم های ناشناخته‌ی تورم (inflation) و تقارن بین ماده و پادماده. همانطور که هاجدوکویک می گوید "دو مکتب در مورد پدیده چرخش سریع کهکشانها وجود دارد. مکتب اول وجود ماده تاریک را فرض میکند در حالی که در مکتب دوم افراد اعتقاد دارند که باید شکل کنونی قانون گرانش تغییر کند. اما من راه سومی را برای توجیه این موضوع پیشنهاد می کنم، توجیهی که نیازی به وجود ماده تاریک یا تغییر قانون گرانش ندارد. "

در فرضیه‌ی او ماده و پادماده دارای بار گرانشی مخالف هم هستند و مواد با بار گرانشی مخالف دافع هم هستند (مواد همدیگر را جذب می کنند و پادمواد هم جاذب خودشان هستند) .در حال حاضر این قضیه که ماده و پادماده از لحاظ گرانشی دافع هم هستند هنوز به اثبات نرسیده است اگرچه آزمایش های معدودی (شناخته شده ترین شان AEGIS در سرن است) در حال بررسی این فرضیه هستند. 

"عقیده قالب در فیزیک امروز این است که تنها یک نوع بار گرانشی (که به عنوان جرم اینرسی شناخته می شود) وجود دارد در حالی که اگر شباهت های احتمالی را با برهم کنش های الکترومغناطیسی در نظر بگیریم می توان فرض کرد که دو نوع بار گرانشی وجود داشته باشد: بار مثبت گرانشی برای ماده و بار منفی گرانشی برای پاد ماده. اگر ماده و پادماده از لحاظ گرانشی دافع باشند آنگاه این می تواند به این معنا باشد که جفتهای ذره و پادذره که برای مدت زمان محدودی در خلا کوانتومی وجود دارند همان "دو قطبی های گرانشی" هستند. هر جفت در حقیقت یک سیستمی است که در آن ذره مجازی بار مثبت گرانشی و پادذره مجازی بار گرانشی منفی دارد و خلا کوانتومی شامل دوقطبی های گرانشی مجازی است که مانند مایعات قطبی در می آید.

جهان ما از دو بخش بر هم کنشی تشکیل شده است. اولین بخش همان مواد معمولی هستند (این قضیه را بدون در نظر گرفتن ماده تاریک و انرژی تاریک بررسی می کنیم) و بخش دوم همان خلا کوانتومی است که به نوعی دریایی از دوقطبی‌های مجازی مختلف و در میان آنها دو قطبی های گرانشی می باشد." او در ادامه توضیحاتش می گوید که دو قطبی های گرانشی مجازی در داخل خلا کوانتومی می تواند توسط مواد باریونی موجود در ستاره های سنگین و کهکشانهای سنگین اطراف قطبیده شوند. وقتی دوقطبی های مجازی هم جهت می شوند یک میدان گرانشی اضافی تولید می کنند که می تواند با میدان گرانشی ناشی از ستارگان و کهکشان ها جمع شود. چنین خلا کوانتومی قطبیده‌ی گرانشی میتواند مانند ماده تاریک یا قانون گرانش اصلاح شده چرخش های پر سرعت کهکشانی را توجیه کند.

همانطور که هاجدوکویک توضیح می دهد، پدیده قوی تر شدن میدان گرانشی را می توان با مشابهت با اتفاقی که در میدان های الکتریکی می افتد درک کرد. وقتی دی الکتریکی که به صفحات موازی خازنی وصل شود باعث کاهش میدان الکتریکی بین صفحات می شود. این کاهش به دلیل جاذبه بین بارهای مخالف به وجود می آید. اما اگر بار های مخالف دافع همدیگر باشند (مثل اتفاقی که در بارهای گرانشی می افتد) آنگاه میدان الکتریکی افزایش خواهد یافت و از آنجایی که بارهای مخالف در خلا کوانتومی دافع هستند اندازه میدان گرانشی افزایش می یابد. نکته مهم در کار هاجدوکویک این است که او داستان پردازی نمیکند. او در مقاله اش محاسباتی را ارائه داده است که می توان به کمک آنها تاثیرات قطبیدگی گرانشی را در فواصل مختلف از مرکز یک کهکشان را بدست آورد و نتایج حاصل از آن با مشاهدات به خوبی توافق دارند. در ضمن او به کمک مفهوم دافعه گرانشی بین ماده و پادماده معادله مشهور تولی-فیشر (Tully-Fisher) را به دست آورده است.

تولی – فیشر رابطه ای تجربی است که بر اساس مشاهدات زیاد از کهکشان ها و خوشه های کهکشانی به دست آمده و نکته جالب در این است که این رابطه هنوز به کمک ماده تاریک قابل توجیه نیست. به عقیده هاجدوکویک هنوز باید روی این فرضیه کارهای زیادی انجام شود تا بتوان ادعا کرد این فرضیه درست است. به عبارتی تنها چیزی که با ماده تاریک توجیه می شود چرخش منحنی های گرانشی کهکشانها نیست بلکه مشاهداتی مثل تابش زمینه کیهانی ابر عدسی های گرانشی ابرنواختر و خیلی داده های دیگر با در نظر گرفتن وجود ماده تاریک بهتر توجیه می شوند تا بدون در نظر گرفتن آنها. در نهایت امروزه خیلی از دانشمندان در حال بررسی و تحقیق بر ماده تاریک و گزینه های جایگزین برای آن هستند و هاجدوکویک امیدوار است که به کمک این فرضیه بتوان جواب هایی برای این موضوعات پیدا کرد.

اوریگامیِ DNA، انقلابی در تولید فرا ماده

اولین فرا‌ماده برای منحرف کردن امواج میکرویو به شیوه‌های که مواد معمولی توانایی انجام آن را ندارند، در سال 2003 طراحی شد. این ماده از قطعات C شکل فلزی و سیم‌هایی که در ساختار لانه زنبور بهم متصل می‌شوند، ساخته ‌شده است. اندازه این فرا‌ماده مهم است. اِلمان های فعال در فرا‌ماده و ساختار تکراری آن باید کوچک‌تر از طول موج نوری باشد که برای نفوذ به آن طراحی شده‌است. به همین دلیل قطعات C شکل فلزی که فیزیک‌دانان آنها را تشدید‌گرهای حلقوی دو تیکه می‌نامند در کل چند میلیمتر هستند. یعنی برای اینکه بتوان ساختار کلی آنرا بدون زحمت و با دست سرهم بندی کرد، به حد کافی بزرگ هستند.

این مساله پرسش روشنی را پیش می‌آورد: چگونه می‌توان قطعاتی مشابه ساخت که در طول موج‌های کوچک‎‌تر کار کند. برای نور فروسرخ، اِلِمان‌های فعال باید بشکل ساختار تکرار شونده در مقیاس چند صد نانومتر طراحی شوند که با روش‌های لیتوگرافی امروزی کار دشواری نیست.

ولی برای نور مرئی، ساختار تکرار شونده باید از مقیاس چند نانومتر باشد. ساخت چنین چیزی سخت‌تر است. گروه‌هایی هستند که چنین ماده‌ای را با استفاده از نانو میله های بافته شده‌ی تخت (دو بعدی)، ساخته‌اند. اما گام بعدی که ساخت قطعات سه بعدی است بسیار دشوار‌تر می‌شود. این به علت دشواری ساختن اِلِمان‌ها نیست، ساخت نانو ذرات فعال نوری که چند نانومتری هستند راحت است. بلکه سوار کردن آنها بشکل ساختاری سه بعدی، مانند لانه زنبور در مورد فرا مواد میکرویوی، قسمت دشوار کار است.

حالا آنتون کوزیک و دوستانش در دانشگاه صنعتی مونیخ با استفاده از روشی به نام اوریگامیِ دی اِن اِی راهی برای حل این مساله یافته‌اند. ایده آنها این است که نانو ذرات طلا را بوسیله تک رشته‌های کوچک دی اِن اِی پوشش دهند. از طرف دیگر تک رشته‌ی مکمل این رشته ها در ساختار بزرگتری از دی اِن اِی اصطلاحا داربست نامیده می‌شود، قرارداده میشود. هنگامیکه نانوذرات و داربستِ دی اِن اِی در کنار همدیگر در حلال قرارداده می‌شوند، رشته‌های دی اِن اِی مکمل به یکدیگر میچسبند و با این روش نانو ذرات را به داربست می‌چسبانند. اگر طراحی با دقت انجام شود، فن‌آوری اوریگامی دی اِن اِی توانایی ساختن هر شکلی را دارد.

کوزیک و همکارانش از این فرآیند برای پیوند دادن 9 نانو ذره طلا تنها به طول10 نانومتر در طول رشته‌های دی اِن ِای برای ساختن شکل مارپیچی استفاده کرده‌اند. بنابراین ذرات بصورت پله های مارپیچی شکل می‌گیرند و از آنجا که این فرآیند خود‌سازمانده است، این شکل دهی بصورت موازی ادامه می‌یابد‌. در نتیجه توانای ساخت میلیون‌ها پله مارپیچی را بطور همزمان دارد. این فرآیند بطور شگفت آوری تا 80 درصد دقیق است و یک مارپیچ کامل را می‌سازد.

نتیجه یک شاره است که ویژگی‌های نوری ساختار‌های نانو ذره مارپیچی را دارا است. هر نور قطبیده دایروی که درون مارپیچ حرکت می‌کند می‌تواند امواج الکترونیکی که پلاسمون نامیده می‌شود را روی سطح نانو ذرات طلا برانگیخته کند. اگر جهت چرخش نور قطبیده دایروی با جهت مارپیچ هماهنگ باشد، در برخورد با نانوذرات پشت سرهم جذب می‌شود. اما نور با جهت چرخش مخالف مستقیما از آن رد خواهد شد. بنابراین شاره نور با جهتگیری خاصی را جذب می‌کند. به این پدیده دورنگی دورانی می‌گویند.

این دقیقا همان چیزی است که کوزیک و همکارانش مشاهده کردند و معتقدند که می‌توانند این اثرات را به دو صورت تنظیم کنند؛ یک، بوسیله تغییر جهتگیری داربست دی اِن اِی و دو، با رشد دادن لایه نقره روی نانو ذرات طلا که بسامد نوری که به آن حساس هستند را نیز تغییر می‌دهد. آنچه این گروه انجام داده‌اند پیشرفتی مهمی بشمار می‌رود زیرا نخستین بار است که کسی موفق به طراحی فرا ماده یا فرا شاره فعالِ نوری در مقیاسِ بزرگ شده‌است.

این گروه امیدوار به اختراعات بلند پروازانه‌تری هستند و معتقدند با استفاده از روشی که پیشنهاد داده‌اند می‌توان به ساخت موادی با ضریب انکساری منفی که کاربرد‌هایی مانند نامرئی کردن و ساخت لنز‌های بی‌عیب را ممکن می‌کند، امیدوار بود. آنها بر این باورند که روش اوریگامی دی اِن اِی امکان طراحی ساختارهای بسیار پیچیده تر را فراهم می‌کند. این ساختار ها حتی قابلیت تبدیل شدن به جامد را به کمک روش های تبلور دارند.  همه اینها اما ساده نخواهد بود. اوریگامی دی اِن اِی روشی نو و در حال پیشرفت است و تولید بلورِ با کیفیت بالا هرگز آسان نبوده ‌است. اما این باعث توقف تلاش‌های آنها نخواهد شد. زودیک و دوستانش بر این باورند که کارهایشان راه را برای تولید نوع تازه ای از فرا موادِ نوری هموار خواهد کرد. باید منتظر نمونه های بیشتری به‌همین زودی باشیم.

لینک منبع مقاله

برخورد زمین و مریخ شاید در منظومه دیگری اتفاق افتاده باشد

سیاره ای به اندازه مریخ به سمت سیاره ای شبیه زمین حرکت می کند، به غشاء و جبه ی آن برخورد می کند، و خرده سنگ هایی که از این برخورد به بیرون پرتاب می شوند تشکیل یک ماه بزرگ را می دهند. این قصه آشنا نیست؟ این چیزیست که دانشمندان گمان می کنند میلیارد ها سال پیش برای زمین رخ داده است. اما ممکن است داستانی مشابه در سال هایی بسیار نزدیکتر به امروز در نزدیکی ستاره ای در صور فلکی هرکول دیده شده باشد.

 

ستاره ی اِن اِل تی تی 43806، یک کوتوله ی سفید است که در فاصله 50 سال نوری از زمین قرار دارد. بگفته ی بنجامین زوکرمن، ستاره شناس از دانشگاه کالیفرنیا در لوس آنجلس، این ستاره در میان کوتوله های سفید منحصر بفرد است. سطح آن دارای توده ی بزرگ آلومینیوم و توده ی نسبتا کم آهن است. این پدیده عجیب است، زیرا در بیشتر ستارگان برعکس این ستاره، بیشتر آهن یافت می شود و کمتر آلومینیوم. در سراسر عمر جهان ستارگان بیشتر از آهن ساخته شده اند تا آلومینیوم، و تعداد هسته های آلومینیوم به آهن معمولا 1 به 10 است.

جایی که در آن آلومینیوم به فراوانی یافت می شود لایه های خارجی سیاره های شبیه زمین است. در واقع آلومینیوم پس از اکسیژن و سیلیکون، سومین عنصر در پوسته ی زمین است. آهن نیز بخش اصلی هسته زمین را تشکیل می دهد. گروه آقای زوکرمن علاوه بر آلومینیوم و آهن، هفت عنصر دیگر که در سیاره های مشابه زمین وجود دارد را در ستاره اِن اِل تی تی 43806 کشف کرده اند. این پژوهشگران فراوانیِ نسبیِ همه ی این 9 عنصر را محاسبه کرده اند و دریافته اند که با مخلوطی از 30 درصد غشاء خاکی و 70 درصد جبه بالایی همخوانی دارد.

زوکرمن باور دارد محتمل ترین گمانه زنی اینست که برخوردی میان دو جسم صخره ای در مدار نزدیکِ ستاره اِن اِل تی تی 43806 رخ داده است. بر اساس آنچه زوکرمن و همکارانش در شماره آینده نشریه اَستروفیزیکال گزارش خواهند کرد، چیزی با سیاره ای برخورد کرده است و بخشی از پوسته و جبه بیرونی را از بین برده است. سپس مواد ناشی از این تصادف در فضا پخش شده اند، برخی از آنها به سمت ستاره ی اِن اِل تی تی پرتاب شده اند و میزان آلومینیوم و دیگر عناصر جدا شده از پوسته و جبه ی سیاره را در سطح ستاره افزایش داده اند. علاوه بر این، این برخورد احتمالا در زمانی کمتر از 50 میلیون سال پیش رخ داده است که در مقیاس رخداد های ستاره شناسی در حد یک چشم بر هم زدن است. این را از روی زمانی که بارش مواد ناشی از چنین برخورد عظیمی روی ستاره ادامه می یابد و با توجه به گرانش قوی که این مواد را به سرعت به سمت خود کشیده و به زیر سطح خود می بلعد و از چشم پنهان می کند، تخمین می زنند. به گفته ی جِی هولبرگِ ستاره شناس از دانشگاه آریزونا این مشاهدات دقیق هستند و داستان که آنها روایت می کنند نیز جذاب است، اما ما واقعا نمی دانیم که منبعِ اصلی این مواد چیست. این امکان وجود دارد که این مواد خرده های حاصل از برخوردی با سیاره ی زمین گونه باشد که منجر به تشکیل ماه می شود. ولی داستانهای کم هیجان تری مانند برخورد سیارکی به این ستاره نیز ممکن هستند.

اگر این برخورد کیهانی همانگونه که زوکرمن و همکارانش حدس می زنند رخ داده باشد، در میان دو سیاره مورد بحث، آنکه بزرگتر است باید همچنان بدور ستاره اش بچرخد. متاسفانه امید چندانی به دیدن این سیاره یا رَدیابی اثرِ گرانشی آن بر روی ستاره اِن اِل تی تی 43806 وجود ندارد، چه رسد به فهمیدن اینکه آیا این دنیای پُر برخورد، ماه تازه متولد شده ای دارد. با این وجود، زوکرمن معتقد است این نظریه قابل آزمایش است زیرا پیش بینی می کند چه میزان پتاسیم و منگنز در سطح ستاره موجود است، چیزی که باید در رصد های دقیق تر آینده روشن شود.

طراحی شبکه‌های کریستالی

طراحی و ایجاد ساختارهای پیچیده و بسیار ریزی که در طبیعت بدون اعمال نیروی خارجی و تنها بر اثر برهم‌کنش‌های داخلی بین مولکول‌ها ساختار خود را منظم می‌کنند، فرایندی بسیار دقیق و پیچیده است.  اگرچه امروزه با پیشرفت علوم می‌توان ذرات را طوری شکل داد که انواع متفاوتی از برهم‌کنش‌ها را با یکدیگر داشته‌باشند، اما وقتی این ذرات در تماس با هم قرار می‌گیرند، پیش‌بینی نوع ساختاری که شکل خواهد گرفت، بسیار دشوار و تقریباً غیر‌ممکن است.اخیراً دو مقاله در مجله Physical review letters چاپ شده که برای طراحی چنین ساختارهایی، روش‌های نظری خوبی ارائه داده‌اند.

ازنظر نظری مطالعه اندرکنش‌های موجود در یک ساختار خاص، برای ایجاد ساختاری شبیه به آن روش مفیدی است و در اغلب موارد پس از انجام این مطالعه محققان از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای طراحی آن ساختار استفاده می‌کنند. اما اریک ادلوند(Erik Edlund) و همکارانش[1] روش جدیدی را برای طراحی چنین ساختارهایی به کار گرفته‌اند. آن‌ها به جای توصیف برهم‌کنش ذرات در فضای مکان، در فضای اندازه‌حرکت کار کرده و پتانسیل بین ذرات را بدست آوردند. با این روش آن‎‌ها توانستند شکل هندسی حالت پایه انرژی را پیدا کرده و به عنوان تأییدی بر روش خود پتانسیلی را که برای ایجاد یک شبکه مثلثی پیوسته لازم بود بدست آوردند.

در مقاله دوم که توسط همین گروه ارائه شده‌است، به این سؤال پاسخ داده‎‌شده، که وجود نوع خاصی از برهم‌کنش بین ذرات منجر به تشکیل چه نوع ساختارهایی می‌شود؟ برای پاسخ به این سؤال ادلوند و همکارانش مدلی را ارائه دادند که کمترین انرژی ساختاری که برهم‌کنش بین ذرات آن همسانگرد است، را پیش‌بینی می‌کند. آن‌ها نشان دادند که چنین پتانسیلی به یک الفبای محدود برای ساختارهای ممکن منجر می‌شود.

ساخت پوستی از جنس مدارهای الکترونیکی

پوست الکترونیکی، فن آوریی برای ثبت ضربان قلب، فعالیت های الکتریکی مغز و انقباض های ماهیچه ای با دقتی مشابه الکترود های حجیم معمولی است. این قطعه که ضخیم تر از تار موی انسان نیست، بوسیله ی یک متخصص علوم مواد در دانشگاه ایلینویز به نام جان راجرز و همکارانش ساخته شده است و شامل شبکه قابل انعطاف و کشسانی از مدار های حسگر است. آن را می توان مانند خالکوبی موقت روی پوست قرار داد و یا از پوست جدا کرد و برای چسباندن به پوست نیازی به چسب ندارد. در حال حاضر از این پوسته ها می توان برای چند روز استفاده کرد، اما پژوهش گران امیدوارند این فن آوری روزی به پزشکان اجازه دهد تا وضعیت سلامت بیماران را بطور دائم زیر نظر بگیرند.

 

پوست الکترونیکی توانایی انجام کارهایی را دارد که حسگرهای پزشکی مرسوم قادر به انجامشان نیستند. برای مثال هنگامیکه این قطعه در دهان قرار داده می شود کلماتی که بیان می شود را در حدی مناسب برای کنترل یک بازی کامپیوتری ساده، دریافت می کند. به گفتهء راجرز دلیل امتحان آنها روی دهان اینست که نشان دهند که این قطعه واقعا نا مرئی است و این غشاء الکترونیکی را حتی میتوان بر روی بخش های حساس بدن نصب کرد.این پژوهش امروز در نشریه ساینس به چاپ رسیده است. از دیگر کاربرد های این قطعه میتوان از کمک به صحبت کردنِ بیمارانی که مشکلات حنجره ای دارند، تشخیص نوزادانِ نارس و بالا بردن کنترل پروتز های دندان نام برد راجرز همچنین با فیزیوتراپیست ها برای استفاده از این پوسته ها جهت القاء انقباض ماهیچه ای در نواحی فلج شده از بدن، همکاری می کند.

استفانی لاکور مهندسی در دانشگاه کمبریج انگلستان این فن آوری را بسیار هیجان انگیز می داند. او معتقد است که این پدیده نشان می دهد که قطعات پر کاربرد و کارآمد الکترونیکی می توانند به شکلی مشابه بافت بدن طراحی شوند و همچنان بشیوه ای مطمئن عمل کنند. به گفته ی او، احتمال دارد بتوان از این فن آوری برای طراحی پوششهای پیشرفته که هنوز چندان مورد توجه نیستند کمک گرفت. گروه آقای راجرز در حدود 15 سال بر روی جریان های انعطاف پذیر الکترونیکی کار کرده اند و هم اکنون به دنبال ساخت ماشین هایی هستند که از پوست بدن انسان تقلید می کنند. راجرز بر این باور است که این ماشین ها سیر طبیعی تکامل پوست الکترونیکی هستند و اضافه می کند: "پوست ماده ای بسیار شگفت انگیز است."

پوست الکترونیکی شامل حسگرها، آنتن ها، دیود های گسیلنده نور و اجزاء دیگری است که میان دو لایه محافظ قرار گرفته اند. توان الکتریکی این قطعه از سلول های خورشیدی جاسازی شده یا سیم پیچ های القایی که قابل استفاده برای تولید جریان بدون سیم هستند، تامین می شود. این مجموعه به همراه لایه های محافظ روی یک ورقه کشسان پُلی اِستر که برای تطابق با ویژگی های فیزیکی پوست طراحی شده قرار می گیرند. لاکور می گوید: " تا آنجا که من می دانم این نرم ترین لایه ای است که چنین مجموعه ای از مدارهای الکترونیکی را در خود جای داده است."  ضخامت کمتر از 40 میکرومتری این قطعه آنرا انعطاف پذیرتر از تراشه های شکننده میلیمتریِ سیلیکونی می کند. در این مقیاس، هر چیزی که بطور عادی شکننده است به جسمی نرم تبدیل می شود. بطوریکه می توان سیستم را حتی اگر برای ساختش از قطعات صلب و کوچک سیلیکونی استفاده شده باشد، به چیزی شبیه پارچه تبدیل کرد.

پوست الکترونیکی به حدی نازک است که تنها با نیروهای کوتاه برد واندر والس که مولکول ها را بهم می چسبانند به پوست وصل می شود، همانطور که نیرویی که برای جدا کردن آن لازم است 10 میلیون بار ضعیف تر از نیروی لازم برای جدا کردن تراشه های میلیمتری است. در این پوسته، مدارها از شبکه ی رشته های نازک S شکل ساخته شده اند تا خاصیت کشسانی داشته باشند و به راحتی شکسته نشوند. این گروه تحقیقاتی درحال حاضر مشغول کار بر روی اضافه کردن اِلِمان های جدیدی شامل قطعات پیزوالکتریک که توان الکتریکی شان از حرکات بدن تامین می شوند، باطری ها، و رابط های بی سیم برای بروز کردن اطلاعات یا فرمان ها، هستند.

یکی از اشکالات این فن آوری اینست که ریختن متناوب سلول های پوست بدن باعث می شود که این تافته ی الکترونیکی پس از چند روز از بین برود. به همین دلیل پژوهش گران بدنبال راهی هستند که بتوان ماه ها از این قطعه استفاده کرد. ساخت پوست الکترونیک گران نیز هست، اما راجرز امیدوار است این قطعه به تولید انبوه برسد و می گوید ما در حال ساخت این فن آوری شگفت انگیز هستیم نه تولید آن، بنابراین معتقدم موانع تکنیکی که بر سر راه تولید تجاری این فن آوری است کمتر از آن چیزی است که بطور معمول شاهدش هستیم.

به نقل از سایت نیچـر

شکل دهی به پرتوی الکترون ها در چشمه های الکترونی ابرسرد

پژوهشگران در استرالیا چشمه نوینی از الکترون های سرد ساخته‌اند که می تواند برای تصویربرداری از ساختارهای بسیار ریز در مقیاس طول اتمی مفید باشد. چشمه که از اتم های ابرسرد استفاده می کند، می‌تواند پالس‌های الکترونی قوی و همدوس را با شکل های فضایی خاص –همانند علامت مرد خفاشی (Batman) در تصویر بالا- ارسال کند. بر پایه گزارش این گروه، چنین پالس‌هایی می‌توانند در تصویربرداری پراشی از مولکول‌های زیستی، ویروس‌ها و نانوساختارها به کار رود.

رابرت اسکولتن (Robert Scholten) و همکارانش در دانشگاه ملبورن، ابری از یک میلیارد اتم روبیدیم را با لیزر تا چند میلیونیوم درجه بالای صفر مطلق سرد می‌کنند. سپس دو پالس لیزر به اتم ها شلیک می‌شود. پالس اول اتم‌ها را به یک تراز برانگیخته الکترونی می‌فرستد. پالس دوم دقیقا انرژی کافی برای رها سازی الکترون‌ها را فراهم می کند و پالسی از الکترون های سرد با دمای 10 کلوین درست می‌کند. اگر به پالس اول با عبور نوز از یک مدولاتور فضایی شکل خاصی داده شود، می‌توان پالس‌های الکترونی با شکل‌های پیچیده و دلخواه ایجاد کرد.

این پالس‌های الکترونی با استفاده از میدان الکتریکی تا 1 کیلوالکترون ولت شتاب می‌گیرند و پیش از آشکارسازی، 21 سانتی‌متر حرکت می‌کنند. بر خلاف پالس‌های چشمه الکترونی معمول که به خاطر حرکت تصادفی الکترون‌ها به سرعت مبهم می شوند؛ این پالس‌ها تا هنگام آشکارسازی شکل‌شان را حفظ می کنند.

همدوسی بالای فضایی

چون پالس‌ الکترون شکل خودش را حفظ می کند، درجه «همدوسی فضایی» بالایی در راستای عمود بر مسیر حرکتشان دارند. همین امر آن‌ها را برای تصویربرداری پراشی، ایده ال می کند. به گفته اسکولتن، طول همدوسی عرضی در لحظه تولید حدود 10 نانومتر است. این فاصله برای تصویربرداری پراشی زیست مولکول‌های بزرگ و ویروس‌های کوچک، کافی است.

توانایی شکل دادن به پالس‌ها به محققان کمک می‌کند تا به شکلی موفق بر پدیده «گسترش کولن» فایق آیند که مانعی بنیادی در ایجاد پالس‌های الکترونی درخشان است. به این دلیل که الکترون ها بار الکتریکی یکسانی دارند، ذرات یکدیگر را می‌رانند و این باعث می‌شود تا همین‌طور که پالس حرکت می‌کند، گسترش یابد و شدت آن کم بشود. هر چند، اسکولتن می گوید اگر پالس با شکلی خاص- شدت بیضوی یکنواخت- ایجاد شود، می توان با استفاده از اپتیک استاندارد، الکترون‌ها را دوباره کانونی کرد و اثرات گسترش کولنی را جبران کرد.

توسعه گام به گام

اسکولتن سریعا اشاره می‌کند که ایده اصلی چگونگی ساخت پالس‌های شکل‌دار اتم‌های سرد، از سوی ادگار وردنبرت(Edgar Vredenbregt)، جام لویتن(Jom Luiten) و همکارانشان در دانشگاه فنی آیندهوون در هلند ارایه شده است. پژوهشگران هلندی علاوه بر توصیف نظری، بر روی چشمه‌های الکترونی کار کرده اند. اسکولتن می گوید: «ما همکاری بسیار نزدیکی با آن‌هاداریم. آن‌ها اکنون در حالت تطبیق روش هایی هستند که ما ساخته ایم و ما نمونه‌های مهندسی سامانه خود را برای آن ها می فرستیم. این کاری گام به گام است- ما نیز بر اساس تجربه و پیشنهاد‌های آن ها حرکت می کنیم.»

توماس کیلیان(Thomas Killian) از دانشگاه رایس- تگزاس می گوید:«این کار جدید را باید به عنوان چشمه‌ای بالقوه از الکترون ها دید که در عمل چیزی شبیه به میکروسکوپ پویشی الکترون ها است». او این کار را «جهشی بلند رو به جلو» در توسعه چشمه‌های دما-پایین و طول‌های همدوسی عرضی بلند برای الکترون‌ها می خواند. او می افزاید:«من امیدوارم که این کار، توسعه ابزارهای عملی را بر اساس این فناوری شتاب بخشد.»

لینک اصلی مقاله

لینک مقاله در وبلاگ

Astronomers discover planet made of diamond

Astronomers have spotted an exotic planet that seems to be made of diamond racing around a tiny star in our galactic backyard. The new planet is far denser than any other known so far and consists largely of carbon. Because it is so dense, scientists calculate the carbon must be crystalline, so a large part of this strange world will effectively be diamond.

"The evolutionary history and amazing density of the planet all suggest it is comprised of carbon -- i.e. a massive diamond orbiting a neutron star every two hours in an orbit so tight it would fit inside our own Sun," said Matthew Bailes of Swinburne University of Technology in Melbourne.

Lying 4,000 light years away, or around an eighth of the way toward the center of the Milky Way from the Earth, the planet is probably the remnant of a once-massive star that has lost its outer layers to the so-called pulsar star it orbits. Pulsars are tiny, dead neutron stars that are only around 20 kilometers (12.4 miles) in diameter and spin hundreds of times a second, emitting beams of radiation.

In the case of pulsar J1719-1438, the beams regularly sweep the Earth and have been monitored by telescopes in Australia, Britain and Hawaii, allowing astronomers to detect modulations due to the gravitational pull of its unseen companion planet. The measurements suggest the planet, which orbits its star every two hours and 10 minutes, has slightly more mass than Jupiter but is 20 times as dense, Bailes and colleagues reported in the journal Science on Thursday.

In addition to carbon, the new planet is also likely to contain oxygen, which may be more prevalent at the surface and is probably increasingly rare toward the carbon-rich center. Its high density suggests the lighter elements of hydrogen and helium, which are the main constituents of gas giants like Jupiter, are not present. Just what this weird diamond world is actually like close up, however, is a mystery.

"In terms of what it would look like, I don't know I could even speculate," said Ben Stappers of the University of Manchester. "I don't imagine that a picture of a very shiny object is what we're looking at here."

به نقل از رویترز

مفاهیم دزیمتری

مقدمه:

کمیتهای مورد استفاده برای اندازه گیری تابشهای یونیزان اغلب بر مبنای آثار بیولوژیکی ، فیزیکی و یا شیمیایی پرتو قرار دارند . این آثار تنها در اثر انتقال انرژی از پرتو به محیط تحت تابش و چگونگی توزیع آن در ماده بستگی دارد . به عبارت دیگر آثار حاصل از انتقال مقدار معینی انرژی در یک جرم کوچک و یا توزیع همگن آن در یک جرم بزرگ ، یکسان نمی باشد . بنابراین یک کمیت دوزیمتری برای کاربردهای مختلف می بایستی به صورت انرژی منتقل شده در واحد جرم ، از ماده تعریف شود . البته چنین کمیتی به صورت دقیقتر و با نام « دوز جذب » معرفی می شود .
کمیت های دوزیمتری از تاثیر برخی ویژگیهای میدان تابش بر محیط مادی به دست می آیند ، بنابراین قبل از مطالعه این کمیت ها می بایستی ویژگی های میدان تابش و ضرائب برخورد آنها با محیطهای مادی بررسی گردد .

کمیتهای میدان تابش:

هر منبع پرتو یونیزان مانند لامپ پرتو x ، شتاب دهنده الکترون و یا مواد پرتوزا در اطراف خود یک میدان تابش ایجاد می نمایند . اطلاع بیشتر از چگونگی توزیع ذرات یونیزان از نظر انرژی ، امتداد و نیز تغییرات آن نسبت به زمان ، تعریف دقیقتری از این میدان تابش را در اختیار می گذارد .
کمیته بین المللی واحدهای پرتو و اندازه گیری International Commision on Radiological Units and measurements ( ICRU 1980 ) در داخل میدان تابش ، کمیت شار ذرات را با رابطه زیر تعریف نموده است:

dN تعداد ذرات تابشی برروی کره ای با سطح مقطع dA می باشد. با استفاده از کره ای با سطح مقطع dA به جای سطح مقطع به تنهایی ، نیازی به تعیین جهت برای سطح مقطع نبوده و این تعریف شار می تواند برای ذرات تابشی در یک و یا چند امتداد به کار رود . باید دقت شود که تعریف شار بر حسب جزء کره به صورت فوق ، با مقادیر نظیری که بر حسب جزء سطح با جهت مشخصی تعریف شده و شار صفحه ای ( Plannar fluence ) نامیده می شود ، اشتباه نشود . در تعریف اخیر ذرات تابشی به یک صفحه مثبت و برای طرف دیگر آن منفی خواهد بود . به عبارت دیگر شار صفحه ای برای تابشهای ازهمه سو یکسان ( isotropic) صفر است) 1979Carlsson (.
واحد SI برای شار ذرات-2 m می باشد . آهنگ شار φ کمیت دیگری است که با رابطه زیر تعریف می شود :

Φd تغییرات شار در فاصله زمانی dt است . واحد SI برای آهنگ شارs-1 m -2 می باشد . معمولاً از علامت یک کمیت برای نشان دادن آهنگ تغیرات آن استفاده نمی شود ، ولی اغلب ، آهنگ شار را ویژگی اصلی تر میدان تابش نسبت به شار ذرات می دانند . این موضوع برای آهنگ شار انرژی نیز صدق می کند .
چنانچه انرژی حمل شده توسط ذرات ، به جای خود آنها مورد توجه قرار گیرد ، در این صورت شار انرژی با رابطه زیر تعریف میشود :

dE انرژی تابشی برروی کره ای با سطح مقطع dA بوده و برای یک تابش تک انرژی برابر با حاصلضرب تعداد ذرات تابشی dN ، در انرژی حمل شده توسط هر یک می باشد . واحد ، SI برای شار انرژی Jm-2 است . در واقع انرژی تابشی E، انرژی ذرات بودن در نظر گرفتن انرژی در حال سکون آنهاست . آهنگ شار انرژی نیز با رابطه زیر تعریف می شود :

ψd تغییرات شار انرژی در فاصله زمانی dt است . واحد SI برای آهنگ شار انرژی Wm-2 است . در ICRU 1980 چندین کمیت دیگر میدان تابش تعریف شده است ، ولی با استفاده از کمیت های فوق الذکر می توان کمیتهای دوزیمتری را به دست آورد .
توزیع کمیتهای میدان
ویژگیهای یک میدان تابش با مشخص شدن توزیع شار ، یا شار انرژی ، بر حسب امتداد و انرژی کاملتر بیان می شود . با معلوم بودن موقعیت منبع اولیه تابش و مشخص نمودن امتداد تابشهای ثانویه ناشی از برخورد پرتو اولیه با ماده که با توجه به جزئیات نظری فرآیند برخورد به دست می آید ، می توان اطلاعات کافی از توزیع این کمیت ها در امتدادهای مختلف را به دست آورد .
با استفاده از یک آشکار ساز موازی شده ( collimated detector ) که قادر است صرفاً پرتو را از زاویه فضایی محدودی دریافت کند ، می توان چگونگی توزیع پرتو در فضا ( توزیع ذرات در امتدادهای مختلف ) را نیز اندازه گیری نمود. برای نشان دادن توزیع این کمیت ها در امتدادهای مختلف اغلب از سیستم مختصات کروی استفاده می شود .
توزیع شار یا شار انرژی بر حسب انرژی بسیار با اهمیت تر است . پاسخ آشکارساز به شار ذرات معین ، اغلب تابعی از توزیع انرژی آنها می باشد . بنابراین برای تعیین توزیع شار بر حسب انرژی می بایستی تلاش زیادی از طریق اندازه گیری و یا محاسبه انجام گیرد . معمولاً از توزیع دیفرانسیلی شار بر حسب انرژی به نام EФ ، به طوری که EdEФ شار ذرات با انرژی های بین E و E+dE است، استفاده می شود . در این صورت شار کل از رابطه زیر به دست می آید :

این مقدار به سطح زیر منحنی مربوط می شود .

انرژی متوسط یا موثر

انرژی متوسط E ذرات می تواند با استفاده از توزیع دیفراسیلی شار ذرات توسط رابطه زیر محاسبه شود :

اگرهر ذره مشارکت کننده در شار کل ، در انرژی خود ضرب شود ، توزیع دیفرانسیلی شار انرژی بر حسب انرژی Eψ به دست می آید .
همچنین انرژی متوسط ذرات با استفاده از توزیع دیفرانسیلی شار انرژی می تواند از رابطه زیر به دست می آید :

از آنجا که معمولاً روابط فوق منجر به مقادیر متفاوتی برای E می شوند. به هنگام اظهار نظر درباره انرژی متوسط هر تابشی باید تصریح شود که از توزیع دیفرانسیلی کدام کمیت برای محاسبه آن استفاده شده است.
موضوع می تواند از این هم مشکل تر باشد . مثلاً برای فوتونها کمیتهای دیگری مانند دوز جذب در مواد مختلف، یا اکسپوژر معرفی می شود که می تواند اندازه گیری شود . این کمیت ها از حاصلضرب شار انرژی در برخی ضرائب برخورد ، که خود تابع انرژی می باشند به دست می آید . با استفاده از این کمیت ها در صورت به کارگیری معادلات فوق برای انرژی متوسط مقادیر متفاوتی به دست می آید . بنابراین هنگام اطلاق انرژی متوسط و یا موثر به یک پرتو می بایستی دقت نمود و منشأ مقدار متوسط و یا دلایلی که سبب موثر بودن می گردد ، بیان می شود.
در شکل 1-2 توزیع دیفرانسیلی شار ، شار انرژی و اکسپوژر بر حسب انرژی را برای یک باریکه فوتونی معینی نظیر باریکه معمول پرتو تشخیصی که در KV70 با mm2 صافی آلومینیوم تولید شده ، نشان داده شده است . ملاحظه می شود که توزیعهای بیناب گونه این سه کمیت تفاوت قابل توجهی دارند و منجر به مقادیر متوسط متفاوتی برای انرژی فوتونها می شود . به علاوه ضخامت یک جاذب که باریکه فوتون را به نصف مقدار اولیه کاهش دهد ، ضخامت نیمه جذب ( HVT ) یا لایه نیمه جذب ( HVL ) ، نیز به کمیتی بستگی دارد که آشکارساز اندازه گیری می نماید .
شکل 3-6 مثال دیگری است که در آن تفاوت قابل توجهی در توزیع دیفرانسیلی شار و شار انرژی ذرات نوترون Cf 252 را بر حسب انرژی نشان می دهد .
اگر پاسخ آشکارساز در بازه انرژی های مورد اندازه گیری برای کمیت خاصی تغییر نکرده و یا تغییرات ناچیزی داشته باشد ، مشکلات اندازه گیری پرتو به صورت قابل توجهی ساده می شود و اطلاع از جزئیات مربوط به توزیع طیف پرتو ضروری نمی باشد .
از آنجا که در بحث دوزیمتری اصولاً موضوع اندازه گیری مقدار انرژی منتقل شده از پرتو به محیط بررسی می گردد ، آشنایی کامل با آثار متقابل پرتو با ماده ، ضروری است.

به نقل از سایت جامع علوم رادیولوژی ایران

Hunt for the Higgs enters endgame

Tantalizing hints that the Higgs boson is rearing its head at CERN's Large Hadron Collider (LHC) have become slightly less thrilling than was previously thought, reported physicists on the opening day of the Lepton Photon 2011 conference taking place in Mumbai, India, this week. Possible sightings of the famous particle had caused a stir at last month's European Physical Society meeting in Grenoble, when data presented from both the ATLAS and CMS experiments showed a small excess of events consistent with the production and decay of Higgs bosons with a relatively low mass of about 144 GeV.

Now, having almost doubled their datasets since the Grenoble meeting, the researchers continue to see a small excess in the low-mass region, but it is one with a lower statistical significance (about 2–2.5σ compared with 2.8σ). If the excess really is the genuine signature of a new particle, rather than a statistical fluctuation of similar-looking background events, physicists would have expected its significance to grow – not to shrink – as more proton–proton collisions were analysed. "The fact that we're introducing data collected up until two weeks ago is scary and wonderful," Vivek Sharma, who presented the results of the CMS experiment, told physicsworld.com. "We don't know if the excess is a statistical fluctuation as it seems to persist, but the picture will become much clearer when we add data collected during the next two months."

CMS spokesperson Guido Tonelli cautions that a real Higgs signal could become weaker, despite extra data being included. "Some people got a bit too excited about the Grenoble excess so this latest snapshot of the data may therefore appear a let-down, but it's simply too early to say," he told physicsworld.com on Friday. "This is a historical time for particle physics and we have to be absolutely sure before we draw any conclusions."

Keep calm and carry on

As well as using more data, the new Higgs results are based on improved analysis routines, says deputy ATLAS physics coordinator Richard Hawkings. "With more time, we've done a better job of handling the background, which gives us increased sensitivity," Hawkings told physicsworld.com. "There's still plenty of room for the Higgs to hide at lower masses – we just need more data." Discovering the Higgs boson would complete the Standard Model of particle physics, providing an explanation for how electroweak symmetry broke a fraction of a second after the Big Bang to leave certain elementary particles with the property of mass. Not discovering the Higgs, or something else that performs this symmetry-breaking role, would leave a major hole in physicists' understanding of nature's fundamental constituents.

"Some people are starting to think 'What if the Higgs isn't there?'," CERN's head of communications James Gillies admitted to physicsworld.com. "Our job is to stay calm and to get the message out that a non-discovery of the Higgs, if that plays out, is a big scientific discovery in itself."

Narrowing the range

Apart from a couple of narrow windows at mid-range masses, the LHC has now pretty much excluded Higgs bosons with masses between 145–466 GeV and finds no significant excess of events across the region 110–600 GeV. Direct searches at CERN's previous Large Electron Positron (LEP) collider, which shut down in 2000, excluded a Higgs lighter than 114 GeV, while fits to precision measurements of electroweak Standard Model parameters disfavour a Higgs heavier than 180 GeV. Meanwhile, the latest results from Higgs searches at the Tevatron collider at Fermilab near Chicago, which is due to close down at the end of September, that were also shown at the Mumbai meeting exclude the regions 100–109 GeV and 156–177 GeV.

"The mass regions in which to search for the Higgs boson are narrowing," says Aleandro Nisati, who presented the ATLAS results. "I'm an Higgs enthusiast and I'm getting very excited by this!" With the LHC delivering data faster than the researchers can analyse them, physicists have decided against presenting an official combination of the ATLAS and CMS Higgs results until the end of this year's data-taking. The LHC is due to cease proton–proton collisions in early November, switching to heavy-ion collisions for a month before closing down until early 2012.

"As head of the CMS Higgs group I can't hold 'religious' views on whether or not the Higgs exists," says Sharma. "But I'm not particularly fond of the Higgs hypothesis, which seems ad hoc; so if we don't find the Higgs, I'd be quite happy." CERN theorist John Ellis says there is still everything to play for. "The region that is currently surviving the LHC's onslaught is precisely the favoured region for the Higgs based on previous electroweak fits," he explains from a sofa in the CERN theory department's common room. "With just two inverse femtobarns of data [more than 20 trillion collisions] recorded by each of CMS and ATLAS, a Standard Model Higgs boson has been excluded at the 95% confidence level between 130 and 600 GeV, demonstrating the need for new physics in the electroweak symmetry-breaking sector."

Electron bunches keep their shape

Researchers in Australia have developed a new source of cold electrons that could be useful for imaging tiny structures at atomic-length scales. The source, which makes use of ultracold atoms, can deliver intense and coherent electron pulses with specific shapes – including the Batman motif shown above. According to the team, such pulses could be used in the diffraction imaging of biological molecules, viruses and nanostructures.

Robert Scholten and colleagues at the University of Melbourne begin with a cloud of about one billion rubidium atoms that are laser-cooled to a few millionths of a degree above absolute zero. The team then fires two laser pulses at the atoms. The first pulse puts the atoms in an excited electronic state. The second pulse provides just enough energy to liberate those electrons and create a pulse of cold electrons with a temperature of about 10 K. Electron pulses with complex shapes can be created by passing the first pulse through a spatial light modulator before it strikes the atoms. The pulses are then accelerated to 1 keV using an electric field and then allowed to drift about 21 cm before being detected. Unlike pulses from a conventional, hot-electron source that blur rapidly from the random motion of the electrons, these pulses retain their shapes when detected.

High spatial coherence

Because the electron pulses retain their shape, they have a high degree of spatial coherence perpendicular to their direction of travel. This makes them ideal for diffractive imaging – which the researchers hope to carry out in the coming months. According to Scholten, the transverse coherence length is about 10 nm at the source, which is already good enough to do diffraction imaging of large biomolecules as well as small viruses.

"High spatial coherence means that [the electrons] propagate in a very parallel beam, so when they hit a target, we know where they came from," explains Scholten. "If we then detect them after diffracting from the target, we know where they came from and where they were detected," he adds. This information is used to infer the diffractive effect of the target, which is related to its structure. Such imaging systems would complement existing atomic-force microscopy (AFM) and electron-microscopy techniques.

Being able to shape the pulses should also help researchers get round the phenomenon of "Coulomb explosion", which is a fundamental barrier to creating bright electron pulses. Because electrons have electrical charge, the particles repel each other, thereby causing the pulse to expand as it travels – reducing its intensity. However, if the pulse is created with a specific shape – a uniform-density ellipsoid – Scholten says that it can be refocused using standard electron optics to cancel out the effects of the Coulomb explosion.

"Leapfrog arrangement"

Scholten is quick to point out that the original idea for how to create shaped pulses of cold electrons came from Edgar Vredenbregt, Jom Luiten and colleagues at the Technical University of Eindhoven in the Netherlands. As well as setting out the theory, the Dutch researchers have also worked on electron sources. "We work closely with them and, indeed, they are now adopting the techniques we [have developed], and we are sending them engineering drawings of our system," says Scholten. "It's a leapfrog arrangement – we built on what they did using their experiences and suggestions to progress, and now we are returning the favour."

Thomas Killian of Rice University in Texas tells that "This new work should be viewed as a potential source of electrons that would be used in something like a scanning electron microscope." He describes the work as "a great leap forward" in the development of low source temperatures and long transverse-coherence lengths for the electrons. "I am hopeful that this will accelerate the development of practical tools based on this technology," he adds.