31 января 2008 г.

Прохождение маленькой черной дыры сквозь Землю

В архиве епринтов появилась короткая статья И.Б.Хрипловича с соавторами, arxiv:0801.4623, про возможность обнаружения микроскопических черных дыр при их движении сквозь Землю. Это краткое описание простыми словами результатов более подробной и технической статьи arxiv:0710.3438.

Речь тут идет, конечно, не о крупных ЧД со звездными массами -- такие ЧД будут заметны издалека на подлете к солнечной системе, а про микроскопические ЧД, оставшиеся со времен большого взрыва. Их масса может составлять "всего" миллиард тонн, при размере на несколько порядков меньше атомного. В астрономических масштабах такие объекты незаметны, и поэтому их присутствие надо искать среди воздействия на обычную материю, например, на вещество Земли при прохождении сквозь нее.

Если вы думаете, что такая ЧД оставит в Земле дырку насквозь, то ошибаетесь. :) При размере много меньше атомного, даже пройдят насквозь, она поглотит очень немного материи. Главное воздействие -- это упругое рассеяние на атомах, фактически разбрасывание атомов во всех стороны на своем пути. На это тратится энергия ЧД, но тоже не так много, как может показаться -- оценки для массы в миллиард тонн дали число порядка ГДж, т.е. порядка тонны в тротиловом эквиваленте. Причем это энерговыделение будет не точечным, а растянется на несколько минут и по всему пути ЧД.

Существенная часть этой энергии пойдет в звук, причем с учетом того, что ЧД будет сверхзвуковая -- этот звук будет излучаться в черенковском конусе. Именно такие акустические события можно искать, в том числе, в существующих нейтринных подводных (подледных) экспериментах.

Прямое детектирование подойдет, если такие ЧД пролетают сквозь Землю достаточно часто. А что делать, если они полетают редко? Тогда можно посмотреть вот на что. Если масса ЧД не очень велика, то у нее может быть довольно сильное хокинговское излучение. Значит, ЧД на своем пути оказывает очень сильное радиационное воздействие на вещество, сильно его перестраивая. Вероятно, такая "трубка" из сильно перестроенного вещества может сохраняться долго даже по геологическим масштабам; а значит, их можно искать в Земле. Было бы интересно увидеть конкретные предсказания того, что именно должно произойти с веществом в таких условиях.

Молекулы ДНК как нанороботы

Иногда поражает, насколько резко реальные научные исследования уходят от "наивных" прогнозов.

Вот есть такая область научных исследований -- создание метаматериалов, т.е. периодических структур, построенных не просто из атомов, а из более крупных однотипных объектов. Например, кубическая решетка из золотых шариков размерами в несколько нанометров. Если это научатся делать, то будет крупный прорыв в оптике, связанный, кроме прочего, с такими модными темами, как отрицательный коэффициент преломления, шапки-невидимки, и т.д.

Наношарики сейчас создавать умеют, а вот собирать их в крупные регулярные структуры -- пока нет. Причина в том, что если между шариками есть притяжение, то они сами по себе слипаются в аморфную кучу, а вовсе не в периодический кристалл. Возникает задача -- как научиться "укладывать" шарики в нужную структуру?

Фантасты, да и ученые тоже, уже давно мечтают создать этаких нанороботов, которые будут в огромных количествах бегать по поверхности материала, хватать наношарик, класть его на место, бежать за следующим. Правда, тут возникает вопрос, как создать таких нанороботов, как их запрограммировать и как их подпитывать энергией. Ученые над этим бьются, и то и дело появляются работы про микромашины, движимые светом, про нанопропеллеры и т.д. Хотя конечно до полноценного наноробота еще очень далеко.

И вдруг -- оказывается, что на самом деле всё может оказаться гораздо проще и совсем не так, как обрисовывают фантасты.

В последнем выпуске Nature появились две статьи, в которых УЖЕ рассказывается об экспериментах по созданию метакристаллов с правильной решеткой из коллоидных наночастиц золота. Роль "укладчиков" наночастиц в решетку выполняли определенные короткие молекулы ДНК, прикрепленные к каждой наносфере. Связь осуществляется через комплементарные последовательности (т.е. там было два сорта наночастиц, с комплементарными окончаниями ДНК; одинаковые друг с другом не соединялись, а комплементарные соединялись). Иными словами, вместо того, чтобы заново изобретать велосипед программируемые рабочие нанообъекты, физики использовали то, что уже есть у природы.



Анализ показал, что получается объемоцентрированная кубическая решетка наночастиц, причем довольно ажурная -- сами частицы занимают около 4% объема. Главное, что решетка довольно устойчива, как механически, так и термодинамически; при нагревании она теряется, но при охлаждении выстраивается вновь.

По-моему, перспективы открываются очень впечатляющие.

Ссылки:
DNA-guided crystallization of colloidal nanoparticles, Nature 451, 549-552 (31 January 2008).
DNA-programmable nanoparticle crystallization, Nature 451, 553-556 (31 January 2008).

Также по теме:
Биомакромолекула и наночастица, часть 1, часть 2.

29 января 2008 г.

Фазовая диаграмма сильновзаимодействующей материи

В архиве епринтов появился небольшой и довольно простой обзор про свойства ядерной материи The Phase Diagram of Strongly-Interacting Matter. Тема, конечно, не новая, её уже больше 40 лет, но в последние годы тут было немало новых результатов, и обзор кратко их все обрисовывает.

Начинают авторы с очень простых вещей. Они напоминают, что обычные вещества при повышении давления и температуры могут испытывать фазовые переходы -- превращения из одного типа внутреннего устройства в другой (затвердевание жидкости или перестройка кристаллической решетки из более ажурной в более компактную). Если повышать давление и температуру дальше, то вещество начинает ионизовываться, т.е. переходит в состояние плазмы. При дальнейшем увеличении температуры происходит полная ионизация вещества, и в результате получается газ атомных ядер и газ электронов.

Информация о химических свойствах исходного вещества полностью стирается, однако остается информация о том, какие элементы составляли это вещество.

При еще большем повышении температуры и давления с газом атомных ядер начинаются происходить интересные явления. Когда кинетическая энергия ядер достигает МэВ (т.е. температура повышается до десятков миллиардов градусов), начинается тепловая диссоциация ядер. При этом стирается информация и об элементном составе исходного вещества -- набор элементов сам получается из условий термодинамического равновесия. (Кстати, интересная фаза такого вещества -- газ с большой долей альфа-частиц, см. заметку Альфа-частицы: элементарные капли ядерного вещества). Однако пока сохраняется относительная концентрация протонов/нейтронов.

При повышении температуры до 100 МэВ (триллион градусов) происходит еще более необычная вещь. Тогда в столкновениях протонов и нейтронов начинают рождаться разнообразные адроны: пионы, каоны, тяжелые гипероны, и их античастицы тоже. Получается газ адронов. Тут теряется вообще всякая информация о начальном веществе, и материя переходит в некое "универсальное" состояние. Т.е. просто состояние вещества при данной температуре, давлении и химпотенциале (поскольку число частиц уже не сохраняется, хим.потенциал становится важным параметром).

Первая попытка теоретического описания этого универсального состояния сильно-взаимодействующей материи была сделана Хагедорном еще в начале 1960-х годов, до того, как была разработана кварковая модель. Она привела к парадоксальному выводу, что в таком адронном газе должна быть некая максимальная температура. Такой адронный газ имеет бесконечную теплоемкость: если пытаться "подогревать" его дальше, то вся привнесенная энергия потратится на рождение новых частиц (коих становится всё больше и больше сортов), но не на увеличение их кинетической энергии.

Но мы знаем, что в ранней Вселенной существовали и более высокие температуры, откуда следует, что при температурах, близких к критической температуре, с адронным газом должно происходить нечто, что текущая (на тот момент) теория не ухватывала. Сейчас можно даже сказать, что это был один из намеков на то, что адроны обладают некоторой структурой.


С приходом кварковой модели стало понятно, что примерно при такой температуре происходит деконфайнмент. Адронов становится так много, что они начинают пространственно перекрываться, их кварки начинают обобществляться, и при превышении некоторого порога происходит типичный перколяционный фазовый переход -- кварки и глюоны могут свободно перемещаться по всему объему. Т.е. уже нет адронов, есть кварк-глюонная плазма. Дополнительная энергия уже может вкладываться в отдельные кварки и глюоны (ведь число их сортов невелико) -- и значит температура растет.

Исследования в последние годы -- как теоретические (модели, КХД на решетках), так и экспериментальные (ускорители тяжелых ионов, в особенности RHIC) -- показали, что даже в таком казалось бы простом веществе всё очень непросто. Например, в согласии с недавнии расчетами в рамках модели Намбу-Йона-Лазинио на фазовой диаграмме кварк-глюооной плазмы могут быть свыше десятка разных фаз, многие из которых сверхпроводящи, что имеет прямое отнощение к физике нейтронных звезд.

Среди экспериментальных результатов RHIC интересно подтверждение, по сути, результата Хагедорна о существовании максимальной температуры до перехода в кварк-глюонную плазму.

Обзор ограничивается областями температуры и химпотенциала в несколько сотен МэВ, и потому в нем совсем не обсуждается, что происходит с веществом (кварк-глюооной плазмой) при еще больших температурах (в момент столкновения ядер в RHIC плотность энергии в центра достигает 10 ГэВ/фм^3, что отвечает темперурам в сотни триллионов градусов). Это совсем новая область, ключевые слова тут "конденсат цветового стекла" и "глазма" (см. например статью hep-ph/0602189).

См. также популярную заметку Вскипают ли ядра при ядерных реакциях? и ссылки в ней.

27 января 2008 г.

Boeing-766

Читаю в новостях:
Boeing 766 аварийно сел в Шереметьево.

Удивился, погуглил на Boeing 766. Нашлось 305 страниц, все на русском и украинском, все про то, что Boeing 766 аварийно сел в Шереметьево.

Какая там проверка информации? Главное, побыстрее перепечатать.

Группы и группоиды

В блоге The everything seminar появился небольшой пост про то, что такое группы и группоиды. Идея изложена в очень простых словах, на наглядных примерах кубика Рубика и игры "Пятнашки" и подойдет для тех, кто краем уха слышал, но никогда не вникал в определение. Может быть хорошим дополнением к популярной статье "Теория групп — наука о совершенстве".

Мне в группах нравится то, что они словно сами собой возникают почти везде, даже в житейских ситуациях -- достаточно лишь "повертеть задачу". В этом посте это, мне кажется, хорошо передано. Кроме того, на простом примере показано, что иногда сами собой возникают и более экзотические алгебраические структуры. Так что если у вас есть полчаса свободного времени, то рекомендую.

Маленький урок географии

Кстати, несколько неожиданная вещь: разница во времени между Чили и среднеевропейским временем составляет всего 4 часа. И это при том, что Чили находится на западной стороне Южной Америки, а это интуитивно кажется чуть ли не противоположной стороной Земли.

Отгадка в том, что Южная Америка находится вовсе не прямо под Северной, как может запомниться со школы :), а сильно -- на ширину континента -- сдвинута на восток. В результате, Чили находится примерно на той же долготе, что и восток США. Кроме того, в Чили сейчас летнее время. :) Через полгода разница будет 6 часов.

26 января 2008 г.

Чили

Съездил в начале января на конференцию в Чили Standard Model and beyond in the LHC era. Конференция была посвящена разнообразным теориям, выходящим за рамка Стандартной модели, и способам их проверки на LHC и в других экспериментах.

Сама страна Чили очень своеобразна. С одной стороны, она довольна бедная. Треть населения и огромная часть капитала сосредоточена в Сантьяго, который похож на Москву, с транспортными и экологическими проблемами. В курортном городке Винья дель Мар, где мы жили, много туристов, поэтому общая беднота не чувствуется, но где-то в глубинке всё выглядит довольно запущено, похоже на среднеазиатские республики или на южноитальянскую глубинку.

С другой стороны, сейчас Чили решили вкладываться в науку; они не только участвуют в крупных экспериментах, но активно приглашают ученых со всего мира на вполне приличные позиции. Туда приезжают и остаются не только русские, но и европейцы и даже американец. Но русских в группе по физике частиц там пока больше всего из приезжих.
В результате ученые на профессорской позиции относятся к одному из самых обеспеченным слоев населения.

Климат очень непривычный. Там сейчас лето, но из-за холодного течения вдоль всей Чили, прибрежные районы остаются холодными. Температура в тени +16,+18, и ветренно (в Сантьяго при этом за 30 градусов). Но солнце палит нещадно, поэтому на солнце жарко и можно легко обгореть (там к тому же сильный ультрафиолет). Хотя люди говорят, в Калифорнии то же самое.

Хотел посмотреть на звездное небо, но из-за засветки мало что увидел. Магеллановы облака не видел, но на Южный крест, Центавра и т.д. полюбовался.

Вот небольшой фотоотчет о поездке.

25 января 2008 г.

Переезд

Я решил переехать сюда с "Элементов". Некоторые сообщения из старого блога я тоже постепенно перевожу с собой; они будут появляться "в прошлом".

В комментариях включена опция OpenID, поэтому комментировать можно с помощью, например, ЖЖ-аккаунта.