Blog

CERN fizikai pranešė po Didžiojo hadronų greitintuvo atnaujinimo aptikę naują dalelę. Tai jau 80-oji dalelė, kurią identifikuoti padėjo galingiausias pasaulyje dalelių greitintuvas, o rezultatas siejamas su LHCb eksperimento duomenimis.

Naujoji dalelė pavadinta Ξcc⁺ (Xi-cc-plus). Ji priskiriama barionams – tai dalelių šeima, kuriai priklauso ir protonai bei neutronai, sudarantys atomų branduolius ir didžiąją dalį įprastos materijos.

Kas yra Ξcc⁺ ir kuo ji skiriasi

Kaip ir protonas, Ξcc⁺ sudaryta iš trijų kvarkų, tačiau jos sandara retesnė: du žavieji kvarkai ir vienas žemyn kvarkas. Protoną sudaro du aukštyn kvarkai ir vienas žemyn kvarkas, todėl įprastas protonas yra gerokai lengvesnis.

CERN nurodo, kad Ξcc⁺ yra maždaug keturis kartus masyvesnė už protoną. Didesnę masę lemia tai, kad žavieji kvarkai yra gerokai sunkesni už aukštyn kvarkus, todėl tokie barionai formuojasi rečiau ir gyvuoja trumpiau.

Kodėl šis atradimas svarbus mokslui

LHCb atstovai pabrėžia, kad tai tik antras kartas, kai stebimas barionas su dviem sunkiais kvarkais. Tokie objektai laikomi itin vertingais tikrinant kvantinės chromodinamikos prognozes – teoriją, aprašančią stipriąją sąveiką, kuri sujungia kvarkus į hadronus.

„Rezultatas padės teoretikams tikrinti kvantinės chromodinamikos modelius ir geriau suprasti, kaip kvarkai susijungia ne tik į įprastus barionus ir mezonus, bet ir į egzotiškesnius hadronus“, – sakė LHCb eksperimento atstovas Vincenzo Vagnoni.

CERN taip pat akcentuoja, kad ši dalelė yra pirmasis naujas atradimas, paskelbtas po LHCb detektoriaus atnaujinimų, užbaigtų 2023 metais. Patobulintas detektorius leidžia efektyviau fiksuoti itin trumpai gyvuojančių dalelių skilimo pėdsakus, kai iš pirminio susidūrimo lieka tik netiesioginiai signalai.

Kaip tokios dalelės aptinkamos

Didysis hadronų greitintuvas yra 27 kilometrų ilgio požeminis žiedas maždaug 100 metrų gylyje po Prancūzija ir Šveicarija. Jame protonai įgreitinami iki milžiniškų energijų ir susiduriant sukuria labai trumpai egzistuojančias daleles.

Naujai aptiktos Ξcc⁺ atveju papildomą iššūkį sudaro jos trumpa gyvavimo trukmė: CERN teigia, kad ji turėtų būti apie šešis kartus trumpesnė nei panašios dalelės, apie kurią LHCb skelbė 2017 metais. Dėl to tokios dalelės atpažinimas reikalauja ypač tikslių detektorių ir didelių duomenų kiekių.

Šie rezultatai pasirodo CERN planuojant dar ambicingesnę ateities infrastruktūrą – Future Circular Collider, kuris ateityje turėtų dar labiau praplėsti energijų ribas ir leisti giliau tikrinti fundamentinės fizikos modelius.

Šaltiniai:
– https://home.cern/news/news/physics/lhcb-collaboration-discovers-new-proton-particle
– https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2026/03/17/observation-of-the-doubly-charmed-heavy-proton-%ce%becc/
– https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2017/07/06/observation-of-an-exceptionally-charming-particle/

CERN mokslininkai pirmą kartą sėkmingai pervežė antiprotonus keliu, išbandydami mobilią antimedžiagos gabenimo sistemą. Bandymo metu speciali įranga buvo pakrauta į sunkvežimį ir apvežta maždaug 10 kilometrų maršrutu CERN teritorijoje, o dalelės po kelionės liko išlaikytos spąstuose.

Antimedžiaga laikoma vienu sudėtingiausių šiuolaikinės fizikos tyrimų objektų, nes susidūrusi su įprasta medžiaga ji anihiliuoja ir akimirksniu virsta energingų dalelių pliūpsniu. Dėl to net ir nedidelis antiprotonų kiekis turi būti saugomas itin aukšto vakuumo sąlygomis, o visa sistema privalo būti apsaugota nuo vibracijų ir temperatūros svyravimų.

„Dalelės sugrįžo, taigi tai buvo sėkmė“, – sakė CERN fizikas Stefanas Ulmeris.

Kam to reikia mokslui

Matoma Visatos medžiaga ir antimedžiaga pagal šiuolaikines teorijas turėtų būti beveik identiškos, tik jų elektriniai krūviai ir kai kurios magnetinės savybės yra priešingos. Vis dėlto vienas didžiausių neatsakytų klausimų išlieka, kodėl po Didžiojo sprogimo Visatoje akivaizdžiai įsivyravo medžiaga, nors pradžioje, tikėtina, turėjo susidaryti panašūs medžiagos ir antimedžiagos kiekiai.

CERN veikianti antimedžiagos gamykla yra vienintelė vieta pasaulyje, kur antiprotonai ne tik pagaminami, bet ir sistemingai lėtinami, kaupiami bei tiriami. Tačiau darbas šalia greitintuvų infrastruktūros turi trūkumų: greitintuvo ir lėtintuvo darbo režimai sukelia elektromagnetinius ir mechaninius trikdžius, kurie riboja matavimų tikslumą.

„Tai atveria tiek daug galimybių“, – sakė CERN techninis koordinatorius Francois Butinas.

Kaip buvo gabenami antiprotonai

Per pasirengimą bandymui mokslininkai sugavo 92 antiprotonų debesį ir uždarė jį į pervežimui pritaikytus kriogeninius Penningo spąstus. Dalelės buvo atšaldytos iki 8,2 kelvino, tai yra maždaug minus 268 laipsnių Celsijaus, kad jų judėjimas sulėtėtų ir būtų lengviau stabiliai išlaikyti spąstuose.

Pati sistema, sverianti apie 850 kilogramų, buvo pakelta kranu ir atsargiai pakrauta ant platformos tipo sunkvežimio. Didžiausia rizika buvo kelionės metu, nes važiuojant atsiranda papildomų vibracijų, galinčių paveikti spąstų stabilumą ir matavimo elektroniką.

Kelionės metu Stefanas Ulmeris realiuoju laiku stebėjo signalą, pagal kurį sprendžiama, ar antiprotonai vis dar laikomi spąstuose. Po važiavimo jis patvirtino, kad dalelės išliko savo vietoje, o užfiksuoti nedideli signalo pokyčiai buvo susiję su detektoriaus rezonansinio dažnio poslinkiu keliais hercais, o ne su antiprotonų praradimu.

Kitas žingsnis: laboratorijos visoje Europoje

CERN tikslas yra neapsiriboti simboliniu bandymu teritorijoje, o ateityje antiprotonus vežti į kitas Europos laboratorijas, kur aplinka ramesnė ir tikslumo reikalaujantys matavimai gali būti atlikti geriau. Mokslininkų vertinimu, tyrimus perkėlus iš greitintuvo aplinkos į specializuotas tikslaus matavimo laboratorijas, kai kuriais atvejais būtų įmanoma pasiekti nuo 100 iki 1 000 kartų geresnį matavimų tikslumą.

Viena pirmųjų numatomų krypčių yra tiksliųjų matavimų laboratorija Diuseldorfe, į kurią kelionė keliu truktų apie aštuonias valandas. Tokiam maršrutui reikėtų užtikrinti, kad spąstų superlaidus magnetas visą laiką išliktų žemesnėje nei 8,2 kelvino temperatūroje, o atvykus antiprotonus dar tektų saugiai perkelti į kitą eksperimentinę sistemą, neleidžiant jiems anihiliuoti.

„Didžiausias iššūkis bus atvykus perkelti antiprotonus į eksperimentą taip, kad jie neišnyktų“, – sakė BASE-STEP eksperimento vadovas Christianas Smorra.

Šis bandymas laikomas svarbiu žingsniu link platesnės antimedžiagos tyrimų infrastruktūros, kai dalelės būtų ne tik gaminamos CERN, bet ir reguliariai tiekiamos kitoms mokslinėms grupėms. Tai galėtų pagreitinti fundamentinių simetrijų tyrimus ir suteikti naujų duomenų, padedančių aiškintis, kodėl Visatoje dominuoja medžiaga.

Šaltiniai:

– https://home.cern/news/press-release/experiments/base-experiment-cern-succeeds-transporting-antimatter

– https://home.cern/science/accelerators/antiproton-decelerator

– https://home.cern/science/physics/antimatter

Mokslininkai praneša aptikę anksčiau „paslėptą“ vandens kritinį tašką itin atšaldyto vandens srityje, kai skystis dar neužšąla, bet jo struktūra pradeda elgtis neįprastai. Tyrimas papildo dešimtmečius trukusias diskusijas, kodėl vanduo, artėdamas prie ledo susidarymo, demonstruoja išskirtines fizines savybes.

Vanduo paprastai užšąla ties 0 laipsnių Celsijaus, tačiau tam tikromis sąlygomis jis gali išlikti skystas gerokai žemesnėje temperatūroje. Tokia būsena vadinama peršaldytu vandeniu, o jos matavimai ypač sudėtingi, nes pakanka menkiausio trikdžio, kad prasidėtų kristalizacija ir susiformuotų ledas.

Kas yra kritinis taškas?

Kritinis taškas fizikoje žymi ribą, kurioje medžiagos būsenos pereina viena į kitą taip, kad skirtumas tarp jų išnyksta, o sistemos svyravimai tampa itin ryškūs. Ilgą laiką buvo keliama hipotezė, kad peršaldytas vanduo gali egzistuoti dviejų skirtingų skystų fazių pavidalu: didelio tankio ir mažo tankio skystis.

Naujajame darbe tarptautinė mokslininkų grupė pateikė tiesiogines užuominas, kad toks skysčio ir skysčio virsmas yra realus, o dar svarbiau, jog egzistuoja kritinis taškas, už kurio vanduo pereina į vieną, bet molekuliniu lygmeniu labai nepastovią būseną. Tai padeda sukonkretinti, kur tiksliai slypi vadinamoji matavimų „niekieno žemė“, kai vanduo yra ant ribos tarp skysčio ir ledo.

„Ypatinga tai, kad spėjome atlikti neįtikėtinai greitus rentgeno matavimus dar prieš susidarant ledui ir pamatėme, kaip išnyksta skysčio ir skysčio virsmas bei atsiranda nauja kritinė būsena“, – sakė Stokholmo universiteto mokslininkas Andersas Nilssonas.

Kaip tai pavyko užfiksuoti?

Tyrime derinti du itin greiti metodai: staigus pašildymas infraraudonųjų spindulių lazeriais ir momentinės rentgeno „nuotraukos“, leidžiančios stebėti pokyčius labai trumpais laiko tarpais. Tyrėjai modeliuotai „pervedė“ paruoštą ledą per ribinę sritį, kurioje, kaip manoma, vanduo persitvarko tarp dviejų skystų būsenų.

Remiantis gautais duomenimis, kritinis taškas gali būti apie minus 63 laipsnius Celsijaus ir maždaug 1 000 atmosferų slėgyje. Nors tiksli vieta dar nėra galutinai nustatyta, ribos susiaurintos, todėl tolesni eksperimentai galės tiksliau patikrinti, kaip kinta vandens molekulinė sandara šioje zonoje.

„Dešimtmečius buvo keliamos prielaidos ir kuriamos skirtingos teorijos, o viena jų buvo kritinio taško egzistavimas. Dabar radome, kad toks taškas iš tiesų yra“, – sakė Andersas Nilssonas.

Kodėl tai svarbu ne tik fizikai?

Nors rezultatai skamba labai fundamentalūs, jie svarbūs suprantant vandens elgesį procesuose nuo cheminių reakcijų iki biologijos ir klimato sistemų. Vanduo išsiskiria tuo, kad ledas yra mažesnio tankio nei skystas vanduo, todėl plūduriuoja, o ši anomalija lemia, kaip užšąla ežerai, kaip išsilaiko ekosistemos ir kaip šiluma pasiskirsto gamtoje.

Tyrėjai pabrėžia, kad geresnis peršaldyto vandens supratimas gali padėti tikslinti modelius, taikomus atmosferos ir debesų mikrofizikai, taip pat aiškinantis vandens būsenas ekstremaliomis sąlygomis, pavyzdžiui, kitose planetose ar jų palydovuose. Kitas žingsnis, pasak autorių, yra įvertinti, ką šis kritinis taškas reiškia platesniame fizinių, cheminių ir biologinių procesų kontekste.

„Kitas etapas yra išsiaiškinti, kokias pasekmes šie rezultatai turi vandens svarbai fiziniuose, cheminiuose, biologiniuose, geologiniuose ir su klimatu susijusiuose procesuose“, – sakė Andersas Nilssonas.

Tyrimas publikuotas žurnale Science, o Stokholmo universitetas atskirai pristatė eksperimentinius rezultatus ir jų reikšmę vandens fazių teorijoms. Mokslininkai neatmeta, kad būsimi matavimai leis dar tiksliau „pririšti“ kritinio taško koordinates ir patikrinti, kaip šis perėjimas susijęs su kitomis vandens anomalijomis.

Šaltiniai:
– https://www.su.se/english/divisions/department-of-physics/news/articles/2026-03-27-experimental-discovery-of-a-new-critical-point-in-water
– https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec0018

Fizikai pirmą kartą tiesiogiai užfiksavo reiškinį, kuris skamba provokuojančiai: šviesoje susiformuojančios „tamsos skylės“ gali judėti greičiau nei pati šviesa. Kalbama ne apie daleles ar energijos srautą, o apie vadinamąsias fazės singuliarijas, dar vadinamas optiniais sūkuriais.

Mokslininkai pabrėžia, kad tai neprieštarauja reliatyvumo teorijai, kuri teigia, jog jokie masę turintys objektai, energija ar informacija negali judėti greičiau už šviesą vakuume. Šiuo atveju „greitis“ atsiranda dėl to, kaip kinta bangos raštas ir jo geometrija, o ne dėl fizinio signalo sklidimo.

Kas yra optinis sūkurys?

Šviesa gali būti aprašoma kaip banga, o tam tikromis sąlygomis jos bangos frontas gali „susisukti“ tarsi kamščiatraukis. Tokio susisukimo centre intensyvumas išnyksta, nes banga ten tarsi pati save panaikina, ir lieka nulinio ryškumo taškas.

Būtent tas nulinio intensyvumo taškas ir vadinamas fazės singuliarija. Analogiškas vaizdinys dažnai lyginamas su sūkuriu upėje: pats sūkurys nėra atskira medžiaga, tačiau jo padėtis ir struktūra gali judėti kitaip nei vanduo aplink.

Teoriškai tokio tipo singuliarijų elgsena fizikoje aptarinėjama jau nuo 1970-ųjų: prognozuota, kad dvi priešingo „krūvio“ singuliarijos, artėdamos viena prie kitos, gali įgauti labai didelį regimąjį greitį. Tačiau tiesiogiai stebėti tai realiame eksperimente ilgą laiką trukdė itin maži laiko ir erdvės masteliai.

Kaip pavyko tai pamatyti?

Tyrėjų komanda optinių sūkurių dinamiką fiksavo ne laisvai sklindančioje šviesoje, o medžiagoje, kuri leidžia suformuoti sudėtingus interferencijos raštus. Eksperimente naudota dvimatė medžiaga heksagoninis boro nitridas, kuriame gali sklisti fononų poliaritonai, mišrios prigimties bangos, susietos su šviesa ir kristalo gardelės virpesiais.

Šios bangos juda gerokai lėčiau nei šviesa vakuume ir gali būti stipriai „suspaustos“ erdvėje, todėl jose lengviau sukurti tankų sūkurių tinklą ir sekti jo pokyčius. Vis dėlto svarbiausia buvo ne vien terpė, bet ir matavimo metodas.

Komanda pasitelkė didelės spartos elektroninę mikroskopiją ir elektronų interferometriją, kuri leido pasiekti išskirtinę erdvinę ir laikinę skyrą. Procesai buvo fiksuojami itin trumpais intervalais, siekiančiais kelias kvadrilijonines sekundės dalis, o daugybė pakartotinių paleidimų leido sukonstruoti dinaminį vaizdą iš šimtų kadrų.

„Mūsų atradimas atskleidžia universalius gamtos dėsnius, bendrus visų tipų bangoms: nuo garso ir skysčių srautų iki sudėtingų sistemų, tokių kaip superlaidininkai“, – sakė fizikas Ido Kaminer.

Tyrimo metu buvo matyti, kaip sūkuriai artėja, susiduria ir „anihiliuoja“, o jų padėties kitimas trumpam pasiekia superšviesinius, tai yra greitesnius už šviesą, regimuosius greičius. Esminė detalė ta, kad tai neperneša nei energijos, nei informacijos, todėl pagrindinė reliatyvumo riba nėra pažeidžiama.

Kodėl tai svarbu praktikoje?

Tyrėjai teigia, kad nauji metodai gali tapti įrankiu, leidžiančiu tiksliau žemėlapiuoti itin greitus ir subtilius nanoskalės reiškinius medžiagose. Tokie procesai svarbūs kuriant naujas optoelektronikos, nanofotonikos ir pažangios mikroskopijos technologijas, kuriose lemia ne vien „kas yra“, bet ir „kaip greitai bei kaip tiksliai kinta“.

Taip pat akcentuojama, kad dabar pademonstruotas stebėjimas vyko dvimatėje sistemoje, o kitas žingsnis būtų išplėsti eksperimentus į sudėtingesnes geometrijas. Didesni matmenys galėtų atverti dar įvairesnį singuliarijų elgesį ir padėti geriau suprasti banginių reiškinių „paslėptą dinamiką“ skirtingose fizikos srityse.

„Manome, kad šios naujoviškos mikroskopijos technikos leis tirti paslėptus procesus fizikoje, chemijoje ir biologijoje, pirmą kartą atskleidžiant, kaip gamta elgiasi greičiausiomis ir sunkiausiai pagaunamomis akimirkomis“, – sakė Ido Kaminer.

Darbas publikuotas žurnale Nature.

Šaltiniai:
– https://www.nature.com/articles/s41586-026-10209-z
– https://www.technion.ac.il/en/blog/article/is-darkness-faster-than-light/
– https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_vortex
– https://en.wikipedia.org/wiki/Phonon_polariton

Mokslininkai praneša apie reikšmingą proveržį saulės energijos tyrimuose: laboratoriniais bandymais pasiekta 130 proc. vadinamoji kvantinė išeiga. Tai nereiškia, kad saulės panelė elektrą gamintų 130 proc. efektyvumu, tačiau rodo, jog vienam sugertam šviesos fotonui pavyko sukurti daugiau nei vieną naudingą sužadintą būvį.

Tyrime nagrinėjama, kaip peržengti klasikinį saulės elementų ribojimą, kai dalis šviesos energijos neišvengiamai prarandama šilumos pavidalu. Būtent šie nuostoliai yra viena priežasčių, kodėl vienos sandūros saulės elementų teorinė riba dažnai siejama su maždaug 33 proc. efektyvumu, vadinamu Shockley–Queisser riba.

Pagrindinis naujo metodo principas yra singletinis skilimas, kai vieno fotono sužadinta būsena gali būti padalijama taip, kad susidaro du sužadinti būviai, vadinami eksitonais. Tokiu būdu iš vieno energijos paketo potencialiai „išspaudžiama“ daugiau naudos, o perteklinė energija mažiau prarandama kaip šiluma.

„Turime dvi pagrindines strategijas peržengti šią ribą: arba mažos energijos infraraudonuosius fotonus paversti didesnės energijos regimosios šviesos fotonais, arba, kaip šiame darbe, panaudoti singletinį skilimą, kad iš vieno fotono sukurtume du eksitonus“, – sakė chemikas Yoichi Sasaki iš Kyushu universiteto.

Tyrėjai kaip organinę medžiagą pasirinko tetraceną, kuris yra tinkamas singletinio skilimo procesui. Vis dėlto ankstesniuose bandymuose dažnai kildavo problema, kad energija „pabėgdavo“ dar nespėjus įvykti norimai dauginimo reakcijai, todėl reikėjo sprendimo, kaip greitai ir selektyviai perimti susidariusius būvius.

Šioje vietoje svarbų vaidmenį suvaidino molibdeno kompleksai. Sumaišius tetraceną su molibdeno junginiais, komanda parodė galinti efektyviau „pagauti“ po skilimo susidariusius eksitonus ir nukreipti procesą taip, kad vienam sugertam fotonui vidutiniškai tektų 1,3 sužadinto būvio, išreikšto metalų kompleksų sužadinimu.

„Energija gali būti lengvai perimta mechanizmu, vadinamu Försterio rezonansiniu energijos perdavimu, dar prieš įvykstant dauginimui, todėl mums reikėjo energijos akceptoriaus, kuris selektyviai sugauna po skilimo padaugintus tripletinius eksitonus“, – sakė Y. Sasaki.

Vis dėlto autoriai pabrėžia, kad tai ankstyvos stadijos laboratoriniai bandymai tirpale, o iki realaus pritaikymo saulės moduliuose laukia sudėtingi inžineriniai žingsniai. Reikės šią sistemą patikimai perkelti į kietąją būseną, užtikrinti stabilumą, ilgaamžiškumą ir tai, kad sukaupta energija būtų išlaikoma pakankamai ilgai, kad ją būtų galima efektyviai panaudoti.

Tokie tyrimai svarbūs platesniame kontekste, nes saulės energetika laikoma viena pagrindinių technologijų mažinant priklausomybę nuo iškastinio kuro. Jei pavyktų praktiškai padidinti saulės elementų našumą virš šiandien įprastų ribų, tai galėtų paspartinti pigesnės elektros gamybą ir sumažinti reikiamą panelių plotą tam pačiam energijos kiekiui išgauti, ypač derinant su pažangesnėmis energijos kaupimo technologijomis.

Ką reiškia 130 proc. kvantinė išeiga?

Kvantinė išeiga apibūdina, kiek kartų norimas įvykis įvyksta vienam sugertam fotonui. Šiuo atveju kalbama ne apie visos panelės elektros konversijos procentą, o apie fotono energijos panaudojimą kvantiniu lygiu, kai vienas sugertas fotonas gali inicijuoti daugiau nei vieną sužadinimą sistemoje.

Toks rezultatas laikomas svarbiu įrodymu, kad egzistuoja realus kelias apeiti dalį fundamentalių nuostolių, kurie riboja tradicines schemas. Tačiau rinkoje matomi pokyčiai priklausys nuo to, ar bus įmanoma sukurti pigias, stabilias ir masinei gamybai tinkamas medžiagas, kurios išlaikytų šiuos efektus kasdienėmis eksploatavimo sąlygomis.

Tyrimas publikuotas Journal of the American Chemical Society.

Šaltiniai:
– https://doi.org/10.1021/jacs.5c20500
– https://www.kyushu-u.ac.jp/en/researches/view/377
– https://en.wikipedia.org/wiki/Shockley%E2%80%93Queisser_limit
– https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_yield