Category Archives: elementarne čestice

Fizičari su konačno otkrili čestice bez mase i one bi mogle revolucionirati elektroniku

Nakon 85 godina traženja, skupina naučnika potvrdila je postojanje čestice bez mase nazvane Weyl fermion. Uz jedinstvenu sposobnost ponašanja i materije i anti-materije unutar kristala, ta čudna čestica može stvoriti elektrone koji nemaju masu.

Otkriće je ogromno, ne samo zato što konačno imamo dokaz da ove čestice postoje, već zato što otvara put za mnogo efikasniju elektroniku i nove vrste kvantnih računara.

“Weyl fermione može se koristiti za rješavanje prometne gužve koju ste dobili sa elektronima u elektronici – Mogu se kretati na mnogo efikasniji, način od elektrona”, glavni istraživač i fizičar M. Zahid Hasan sa Univerziteta Princeton u SAD-rekao je Anthony Kutbertsonu u IBTimes-u. “One mogu dovesti do nove vrste elektronike koju zovemo ‘Weyltronics’.”

Pa šta je tačno Weyl fermion? Iako u srednjoj školi često učimo da je Univerzum sačinjen od atoma, sa stanovišta fizike čestica, sve je zapravo sastavljeno od fermiona i bozona.

Jednostavno objašnjeno, fermioni su građevinski blokovi koji čine svu materiju, kao što su elektroni, a bozoni su stvari koje nose sile, kao što su fotoni. Elektroni su okosnica današnje elektronike, i dok oni nose zaduženje prilično dobro, oni imaju tendenciju da upadaju u jedni druge i raspršuju se, gube energiju i proizvode toplinu.

Ali, vratimo se u 1929. godine, njemački fizičar Hermann Weyl postavio je hipotezu da bezmaseni fermioni moraju postojati, koje nose naboj daleko efikasnije od običnih elektrona i sada je tim na Princetonu pokazao da oni zaista postoje. Zapravo, oni su pokazali da u elektronskom medijumu za testiranje, elektroni Weyl-a mogu nositi naboj najmanje 1000 puta brže od elektrona u običnim poluprovodnicima i dvostruko brže od grafena. Oni su takođe mnogo efikasniji od elektrona, izvještava tim u časopisu “Nature”, jer je okret čestica ujedno u istom pravcu kao i njen pokret (koji fizičari nazivaju ‘desno’ i suprotno njegovom smjeru u isto vrijeme.

Ovo znači da se svi fermioni kreću na isti način i da prolaze kroz i oko prepreka.

“Kao da imaju sopstveni GPS i upravljaju se bez rasipanja”, rekao je Hasan u saopštenju za javnost. “Oni će se pomicati i kretati samo u jednom pravcu jer su ili desničari ili levoruki i nikad se ne završavaju jer samo prolaze kroz tunel. To su vrlo brzi elektroni koji se ponašaju kao jednozončane svjetlosni snopovi i mogu se koristiti za nove tipove kvantnih računara. ”

Posebno što je cool u vezi ovog otkrića je to da su istraživači otkrili sintetički Weyl Fermion u kristalu u laboratoriji, razliku od većine drugih otkrića čestica, kao što je poznati Higgs bozon, koji je otkriven u sudaraču čestica. To znači da je istraživanje lako reproducibilno, a naučnici će odmah moći početi da otkrivaju kako koristiti Weyl fermion u elektronici.

Tim je pronašao česticu nakon specijalnog formulisanja polumjelnog kristala zvanog tantalum arzenid, koji su ranije bili označeni od strane istraživača u Kini kao potencijalni “dom” za Weyl fermion. Poslije pronalaska tragova nedostižne čestice u svojoj laboratoriji, kristali su uzeti u Nacionalnu laboratoriju Lawrence Berkeley u Kaliforniji, gde su kroz njih ispaljavali visokonaponske fotone. Otisak fotona s druge strane potvrdio je da su kristali stvarno sadržali Weyl fermion.

Weyl fermioni su ono što je poznato kao kvazičestice, što znači da mogu postojati samo u čvrstom obliku kao što je kristal, a ne samostalne čestice. Ali daljnje istraživanje će pomoći naučnicima da razrade koliko su korisni.

“Fizika Weyl fermiona je tako čudna, može postojati mnogo stvari koje proizilaze iz ove čestice koje sada jednostavno ne možemo da zamislimo”, rekao je Hasan.

Jedva čekamo da saznamo.

Izvor:http://www.thescinewsreporter.com/2018/03/scientists-have-finally-discovered.html?m=1

Koja je razlika između čestica fermiona i bozona i zašto je jako bitna?

Postoje samo dvije vrste temeljnih čestica poznatih u cijelom svemiru: fermioni i bozoni. Svaka čestica – pored normalnih svojstava koja poznajete kao masa i električni naboj – ima u sebi intrinzičnu količinu kutnog momenta, poznatu pod nazivom spin. Čestice s spinom koji dolazi u pola cjelobrojnih višekratnika (npr., ± 1/2, ± 3/2, ± 5/2 itd.) poznate su kao fermioni; čestice s cjelobrojnim spinom (npr. 0, ± 1, ± 2 itd.) su bozoni. Nema drugih vrsta čestica, temeljnih ili kompozitnih, u cijelom poznatom svemiru. Ali zašto je to važno?

Koja je tačno razliku između fermiona i bozona? Šta uzrokuje razlika u cjelobrojnom spinu i polu-cjelnom spinu?

Na prvi pogled, čini se da je kategoriziranje čestica tim svojstvima potpuno proizvoljno.

Slika 1: Poznate čestice u Standardnom modelu čestica

Uostalom, čestica je čestica, zar ne? Sigurno postoje veće razlike između kvarkova (koji doživljavaju jaku silu) i leptona (koji to ne čine) nego između fermiona i bozona? Zasigurno je razlika između materije i antimaterije veća od spina vaše čestice? I da li ste masivni ili ne bi trebao biti vrlo velik posao, sigurno u usporedbi s nečim trivijalnim kao kutni zamah, zar ne?

Kako se ispostavlja, postoji veliki broj malih razlika povezanih s spinom, ali postoje dvije velike one koje većina ljudi – možda čak i većina fizičara – nisu realizirali.

Slika 2: Fotoni, čestice i antičestice

Prva velika razlika je da samo fermioni imaju antičestice. Ako pitate kakva je antičestica kvarkova, to je antikvark. Antičestica elektrona je pozitron (antielektron), dok neutrino ima antineutrino. S druge strane, bozoni su antičestice drugih bozona, a mnogi bozoni su njihova antičestica. Ne postoji takva stvar kao antibozon. Sudariti foton s drugim fotonom? Z0 s drugim Z0? Jednako je dobro, s aspekta materije-antimaterije, kao što je anihilacija elektrona-pozitrona.

Slika 3: Bozon kao i foton može biti sam sebi antičestica

Također možete izgraditi kompozitne čestice iz fermiona: dva gore kvarka i jedan dolje kvark čine proton (koji je fermion), dok jedan gore i dva dolje čine neutron (također fermion). Zbog načina na koji se okreću, ako uzmete neparan broj fermiona i vežete ih, nova (kompozitna) čestica djelovati će kao fermion, zbog čega dobivate protone i antiprotone i zato se neutron razlikuje od antineutrona , ali čestice koje su izrađene od jednakih brojeva fermiona, poput kombinacije kvark antikvark (poznate kao mezon), ponašaju se kao bozon. Na primjer, neutralni pion (π0) je sam sebi antičestica.

Razlog tome je jednostavan: svaki od tih fermiona je spin ± 1/2 čestica. Ako ih dodate zajedno, možete dobiti nešto što je spin -1, 0 ili +1, što je cijeli broj (i time bozon); ako dodate tri, možete dobiti -3/2, -1/2, +1/2 ili +3/2, što ga čini fermionom. Tako su razlike između čestica i antičestica velike. Ali postoji druga razlika koja je možda još važnija.

Slika 4: Stanja energije elektrona za najmanju moguću energiju

Princip isključenja Pauli vrijedi samo za fermione, a ne na bozone. Ovo pravilo izričito navodi da u bilo kojem kvantnom sustavu, nijedna dva fermiona ne mogu zauzeti isto kvantno stanje. Bosons, međutim, nema takvo ograničenje. Ako uzmete atomsku jezgru i počnete dodavati elektrone na nju, prvi elektroni će zauzeti osnovno stanje, što je najniže energetsko stanje dopušteno. Budući da je to spin = 1/2 čestica, stanje elektronskog spina može biti +1/2 ili -1/2. Ako stavite drugi elektron na taj atom, morat će imati suprotno spin stanje također biti u temeljnom stanju. Ali što se događa ako želite dodati više elektrona? Oni se više ne mogu uklopiti u tlo i moraju se popeti na sljedeću energetsku razinu.

Zbog toga je periodična tablica elemenata tako uređena. Zato atomi imaju različita svojstva, zašto se vežu zajedno u zamršenim kombinacijama koje rade i zašto je svaki element u periodičnom stolu jedinstven, jer je elektronska konfiguracija svakog tipa atoma drugačija od bilo koje druge. Činjenica da nijedna dva fermiona ne mogu zauzeti isto kvantno stanje odgovorna je za fizikalna i kemijska svojstva elemenata, za ogromnu raznolikost molekularnih konfiguracija koje imamo danas i za temeljne veze koje čine kompleksnu kemiju i život.

Slika 5: Fermioni

S druge strane, možete staviti koliko god bozona želite u istom kvantnom stanju! To omogućuje stvaranje vrlo posebnih stanja bozona poznatih kao Bose-Einstein kondenzati. Ako dovoljno hladite bozone, tako da padnu u najniže kvantno stanje energije, možete uneti proizvoljan broj. Helium (sastavljen je iz parnog broja fermiona, tako da deluje kao bozon) postaje superfluid na dovoljno niskim temperaturama, posljedica Bose-Einsteinove kondenzacije. Od tada su u ovo kondenzovano stanje dovedeni gasovi, molekuli, kvazi-čestice i čak fotoni. Danas je to aktivno istraživanje.

Činjenica da su elektroni fermioni je ono što zadržava bijele patuljke iz kolapsa pod sopstvenom gravitacijom; činjenica da su neutroni fermioni sprečavaju da se neutronske zvezde još više sruše. Princip isključenja Pauli odgovoran za atomsku strukturu odgovoran je za održavanje najgušćih fizičkih objekata od svih da postanu crne rupe.

Slika 6: Zvijezde

Kada materija i antimaterija uništi ili raspadne, oni će zagrejati sistem za drugu količinu u zavisnosti od toga da li čestice podudaraju statistiku Fermi-Dirac (za fermione) ili Bose-Einstein statistiku (za bozone). Zato je kosmička mikrotalasna pozadina 2.73 K danas, ali kosmička neutrino pozadina odgovara temperaturi koja je oko 0.8 K hladnjaka: zahvaljujući anihilaciji i ovoj statistici u ranom Univerzumu.

Činjenica da su fermioni polu-cijeli spin i bozoni su cijeli spin je zanimljiv, ali mnogo zanimljivija je činjenica da ove dvije klase čestica podudaraju sa različitim kvantnim pravilima. Na temeljnom nivou te razlike omogućavaju naše postojanje.

Izvor: https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/01/ask-ethan-whats-the-difference-between-a-fermion-and-a-boson/

Najčudnija ili najraširenija konstanta u cijeloj fizici – konstanta fine strukture, šta je i koja joj je vrijednost?

U fizici, konstanta fine strukture, takođe poznata kao Sommerfeldova konstanta, obično označena α (grčko slovo alfa), predstavlja osnovnu fizičku konstantu koja karakteriše jačinu elektromagnetne interakcije između elementarnih naelektrisanih čestica.

Povezuje se sa elementarnim nabojem e, koji karakteriše jačinu spojnje elementarne naelektrisane čestice sa elektromagnetnim poljem, formulom 4πε0ħcα = e**2. Budući da je bezdimenziona veličina, ona ima istu numeričku vrijednost od oko 1/137 u svim sistemima jedinica. Arnold Sommerfeld je uveo konstantu fine strukture 1916. godine.

Konstanta fine strukture, α, ima nekoliko fizičkih tumačenja. neka od njih su:

  • Kvadrat odnosa elementarnog naelektrisanja i Planckovog naboja
  • Odnos dve energije: (i) energija potrebna za prevazilaženje elektrostatičkog odbijanja između dva elektrona na rastojanju od d , i (ii) energije jednog fotona talasne dužine λ = 2 π d.
  • Odnos brzine elektrona u prvom kružnoj orbiti Bohrovog modela atoma sa brzinom svetlosti u vakuumu, c. Ovo je originalno fizičko tumačenje Sommerfelda. Zatim kvadrat α je odnos između energije Hartree-a (27,2 eV = dvostruko Rydberg-ove energije = približno dvostruke energije ionizacije) i energije za odmor (511 keV).
  • Dva srazmera od tri karakteristične dužine: klasični elektronski radijus, Comptonova talasna dužina elektrona, i Bohr radijus.
    U kvantnoj elektrodinamici, α je direktno povezan sa konstantom kuplovanja koja određuje jačinu interakcije između elektrona i fotona. Teorija ne predviđa njenu vrijednost. Stoga, α mora biti određena eksperimentalno. Zapravo, α je jedan od oko 20 empirijskih parametara u Standardnom modelu fizike čestica, čija vrijednost nije određena unutar Standardnog modela.

U elektroslaboj teoriji koja ujedinjuje slabu interakciju sa elektromagnetizmom, α se apsorbuje u dve druge konstante spojnice povezane s elektroslabim poljima. U ovoj teoriji, elektromagnetna interakcija se tretira kao mešavina interakcija povezanih sa elektrolitskim poljima. Snaga elektromagnetne interakcije varira sa snagom energetskog polja.

Historija

Arnold Sommerfeld je uveo konstantu fine strukture 1916. godine, kao deo njegove teorije relativističkih odstupanja atomskih spektralnih linija iz predviđanja Bohr modela. Prvo fizičko tumačenje konstanta fine strukture α je bilo kao odnos brzine elektrona u prvom kružnom orbitu relativističkog Bohr-a sa brzinom svetlosti u vakuumu. Ekvivalentno, to je bio količnik između minimalnog kružnog momenta dozvoljen relativnošću za zatvorenu orbitu i minimalnog kružnog momenta koji je omogućen kvantnom mehanikom. Izgleda prirodno u Sommerfeldovoj analizi i određuje veličinu cepanja ili fine strukture hidrogenskih spektralnih linija.

Antropično objašnjenje

Antropski princip je kontroverzni argument zašto konstanta fine strukture ima vrijednost koju ima: stabilna materija, a samim tim i život i inteligentna bića, ne bi mogli postojati da je njega vrijednost bila mnogo drugačija. Na primjer, da je α promenjen za 4%, zvezdana fuzija ne bi proizvela ugljenik, tako da život na bazi ugljenika ne bi bio moguć. Da je α bio > 0,1, zvezdana fuzija bila bi nemoguća i nijedno mesto u svemiru ne bi bilo dovoljno toplo za život kao što ga znamo.

Misterija o α je zapravo dvostruka misterija. Prva misterija – poreklo njegove numeričke vrednosti α ≈ 1/137 je prepoznata i diskutovana decenijama. Druga misterija – raspon njegovog domena – generalno je neprepoznata.- Malcolm H. Mac Gregor, M.H. MacGregor (2007). Moć Alpha. World Scientific. str. 69. ISBN 978-981-256-961-5.