Реальные варианты заданий ВПР 2023 по физике
Создание энергетического спектра космических лучей
Дифференциальный энергетический спектр космических лучей имеет степенной характер. Он представлен на графике в двойном логарифмическом масштабе, где минимальные энергии находятся в желтой зоне солнечной модуляции, средние энергии в синей зоне ГКЛ, а максимальные энергии в пурпурной зоне внегалактических космических лучей.
Оценка величины электрического дипольного момента электрона
Физики из Колорадского университета в Болдере, Национального института стандартов и технологии (NIST) и JILA опубликовали новую оценку максимального значения величины электрического дипольного момента (ЭДМ) электрона, что может представлять интерес для физики элементарных частиц и современной теории происхождения Вселенной.
Исследования в области физики космических лучей
Физика космических лучей исследует процессы ускорения частиц, их природу, свойства, а также явления, вызываемые этими частицами в космическом пространстве, атмосфере и на планетах.
Изучение потоков космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важной задачей.
Происхождение космических лучей
Космические лучи могут возникать вне Галактики, внутри Галактики, на Солнце или в межпланетном пространстве. Первичные космические лучи включают внегалактические, галактические и солнечные лучи. Вторичные космические лучи формируются под действием первичных в атмосфере Земли.
Значение космических лучей
Космические лучи являются частью естественной радиации на Земле и в атмосфере. До появления ускорителей, они были основным источником высокоэнергетических частиц.
Минипроекты для физики
Исследования в области космических лучей открывают новые возможности для экспериментов и позволяют лучше понять окружающий нас мир.
История физики частиц: открытия и достижения
Физика частиц родилась вместе с фактически случайным наблюдением радиоактивности урана членом Французской академии наук Антуаном Анри Беккерелем в феврале 1896 года. Уже на следующий год Джозеф Джон Томсон после интенсивных поисков открыл первую элементарную частицу, электрон.
Открытия элементарных частиц
В 1899 году перебравшийся в Монреаль бывший сотрудник Томсона двадцатипятилетний уроженец Новой Зеландии Эрнест Резерфорд обнаружил, что уран испускает два вида частиц (или, как тогда говорили, эманации), которые он назвал альфа- и бета-лучами. Природа бета-лучей выяснилась в том же году, когда Фриц Гейзель, Беккерель и Мария Склодовская-Кюри пришли к заключению, что это просто быстрые электроны.
Проблему альфа-частиц в основном разрешил сам Резерфорд в счастливом для себя 1908 году, принесшем ему Нобелевскую премию по химии. Он доказал, что там, где присутствует источник альфа-излучения, появляются атомы гелия.
Открытие гамма-излучения
В интервале между этими событиями, в первый год XX века, француз Поль Виллар открыл у урана еще один вид излучения, которое Резерфорд обозначил третьей буквой греческой алфавита — гаммой.
В 1910 году английский физик Уильям Генри Брэгг доказал, что гамма-лучи представляют собой электромагнитные волны очень малой длины.
Тренды в развитии физики частиц
Об истории физики частиц можно писать до бесконечности, но сейчас я хотел бы выделить в ней очень интересный тренд. Приблизительно до конца 1930-х годов исследования в этой области осуществлялись, как говорится, на лабораторных столах.
Такими были, в частности, исторические эксперименты Резерфорда и его ассистентов Эрнеста Марсдена и Иоганнеса Гейгера по бомбардировке альфа-частицами мишеней из золотой фольги, результаты которых в 1911 году привели Резерфорда к планетарной модели атома. Такими были и прочие фундаментальные достижения этой науки — скажем, открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году.
Наконец, таким же было и открытие деления ядер урана под действием нейтронного облучения, сделанное в 1938 году в берлинском Институте химии общества кайзера Вильгельма его тогдашним директором профессором Отто Ганом и его ассистентом Фрицем Штрассманом.
История развития ускорителей частиц
Как известно, ядерную физику и физику частиц революционизировало изобретение циклического резонансного ускорителя протонов, сделанное в 1930 году американскими физиками Эрнестом Орландо Лоуренсом и Милтоном Стэнли Ливингстоном.
Первые циклотроны, разработанные этими физиками, имели довольно скромные размеры – от 10 до 69 см в диаметре. Даже первый европейский циклотрон был метрового диаметра и уступал в энергии протонному пучку циклотрона Лоуренса.
Развитие технологий ускорителей
Размеры ускорителей резко увеличились после открытия принципа автофазировки советскими и американскими физиками. В 1950-е годы уже были сконструированы гигантские ускорители, способные ускорять протоны и другие частицы до значительных энергий.
- В 1952 году в Брукхейвенской национальной лаборатории был запущен первый 23-метровый ускоритель Космотрон.
- В 1954 году университет Беркли запустил ускоритель, способный достичь энергии 6,2 ГэВ.
- В 1957 году в Дубне запущен синхрофазотрон на 10 ГэВ.
Более мощные ускорители
После появления первых гигантских ускорителей, стали строиться все более мощные и крупные циклические и линейные ускорители для протонов, ионов и электронов. На них были сделаны множество значимых открытий.
Например, установка, на которой в 1956 году были детектированы нейтрино, весила около 10 тонн. Современные нейтринные детекторы, такие как IceCube, имеют еще большие масштабы.
В середине 1950-х годов стало очевидно, что эпоха камерных экспериментов ушла в прошлое и физика частиц перешла на новый уровень развития.
Введение
В 1956 году профессором Колумбийского университета Ву Цзяньсюн и ее коллегами был проведен эксперимент, который изменил представление о сохранении пространственной четности в физике частиц. Этот исторический эксперимент стал основой новых открытий в области слабых взаимодействий.
Гипотеза и эксперимент
Профессор Ву и ее коллеги провели эксперимент с образцом кобальта-60 в магнитном поле и убедительно доказали нарушение пространственной четности. Оказалось, что в актах бета-распада ядер кобальта нарушается считавшийся незыблемым закон сохранения пространственной четности.
Результаты
Эксперимент показал сильную пространственную асимметрию распада – больше электронов вылетало в противоположном направлении к ориентации спинов, чем в сторону их спинов. Этот результат имел огромное значение для понимания физики элементарных частиц.
Заключение
Эксперимент профессора Ву и ее коллег стал ключевым моментом в развитии физики частиц. Нарушение пространственной четности в слабых взаимодействиях открыло новые возможности для изучения фундаментальных взаимодействий в природе.
Долгое время после открытия космических лучей методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще всего — газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии, поднимаемые в стратосферу или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.
Современные обсерватории работают на других принципах. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу, она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых , рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые, в свою очередь, рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц, который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.
Космические лучи сверхвысоких энергий
см. Ultra-high-energy cosmic ray, UHECR)[11]
Энергия некоторых частиц (например, частицы «Oh-My-God») превышает предел ГЗК (Грайзена — Зацепина — Кузьмина) — теоретический предел энергии для космических лучей , вызванный их взаимодействием с фотонами реликтового излучения. Несколько десятков таких частиц за год было зарегистрировано обсерваторией AGASA. Частицы сверхвысоких энергий чрезвычайно редки, природа их появления пока не понятна и не имеет достаточно обоснованного научного объяснения.
Частица Oh-My-God (320 ЭэВ), обнаруженная в 1991 году, — самая энергичная из когда-либо зарегистрированных;
частица с энергией 280 ЭэВ, обнаруженная в 2001 году[12];
третья по энергии частица (244 ЭэВ), получившая собственное имя в честь богини Аматэрасу и зарегистрированная в 2021 году.
Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве
В околоземном космическом пространстве (ОКП) различают несколько типов космических лучей. К стационарным принято относить галактические космические лучи (ГКЛ), частицы альбедо и радиационный пояс. К нестационарным — солнечные космические лучи (СКЛ).
Галактические космические лучи (ГКЛ)
Вторичные частицы в магнитосфере Земли: радиационный пояс, частицы альбедо
Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном магнитном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией меньше критической. Те же частицы с энергией E < _E_кр, которые всё-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).
В околоземном пространстве можно выделить две торообразные области, расположенные в экваториальной плоскости примерно на расстоянии от 300 км (в зоне БМА) до 6000 км (внутренний РПЗ) и от 12 000 км до 40 000 км (внешний РПЗ). Основным наполнением внутреннего пояса являются протоны с высокими энергиями от 1 до 1000 МэВ, а внешнего — электроны.
Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстояниях ~ 3 радиусов Земли от её центра. Малоэнергичные электроны заполняют всю область захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени.
Процесс взаимодействия ядер первичного космического излучения с атмосферой сопровождается возникновением нейтронов. Поток нейтронов, идущий от Земли (нейтроны альбедо), беспрепятственно проходит сквозь магнитное поле Земли. Поскольку нейтроны нестабильны (среднее время распада ~900 с), часть из них распадается в зонах, недоступных для заряженных частиц малых энергий. Таким образом, продукты распада нейтронов (протоны и электроны) рождаются прямо в зонах захвата. В зависимости от энергии и питч-углов эти протоны и электроны могут либо оказаться захваченными, либо покинуть эту область.
Частицы альбедо — это вторичные частицы, отражённые от атмосферы Земли. Нейтроны альбедо обеспечивают радиационный пояс протонами с энергией до 10³ МэВ и электронами с энергией до нескольких МэВ.
Солнечные космические лучи
Задания и ответы с 2 варианта
1. Прочитайте перечень понятий, с которыми Вы встречались в курсе физики: килоньютон, градус Цельсия, ареометр, материальная точка, барометр-анероид, вольтметр, герц. Выделите среди этих понятий две группы по выбранному Вами признаку. В каждой группе должно быть не менее двух понятий. Запишите в таблицу название каждой группы и понятия, входящие в эту группу.
2. Выберите два верных утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите в ответе их номера.
1) Одна и та же сила сообщает телу меньшей массы большее ускорение.
2) Броуновское движение в жидкости возможно только днём при солнечном свете.
3) Одноимённые полюса постоянных магнитов отталкиваются друг от друга.
4) Явление полного внутреннего отражения может наблюдаться только при углах падения меньше предельного.
5) Отклонение компонент радиоактивного излучения в магнитном поле в противоположные стороны свидетельствует о наличии излучения различной частоты.
3. Четыре тела двигались по оси Ох. В таблице представлена зависимость их координат от времени. У какого из тел скорость может быть постоянна и отлична от нуля?
Ответ: тело 4
4. Положения молекулярно-кинетической теории формулируются следующим образом. 1. Вещество состоит из частиц. 2. Частицы находятся в непрерывном хаотическом движении. 3. Частицы взаимодействуют друг с другом. Газы занимают весь предоставленный объем. Каким из положений молекулярнокинетической теории строения вещества можно объяснить этот факт?
Ответ: 2. Частицы находятся в непрерывном хаотическом движении.
5. Изобразите на рисунке линии напряжённости электростатического поля неподвижного точечного отрицательного заряда.
6. На рисунке представлена диаграмма нижних энергетических уровней атома. Какой из отмеченных стрелками переходов между энергетическими уровнями сопровождается поглощением кванта максимальной длины волны?
Ответ: с уровня 1 на уровень 2
7. Для наблюдения внешнего фотоэффекта цинковую пластину облучают фотонами с энергией 5 эВ при неизменной интенсивности излучения. В таблице даны значения работы выхода электронов для некоторых металлов. Как изменятся фототок насыщения и кинетическая энергия фотоэлектронов, если цинковую пластину заменить на серебряную? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
8. Воду массой 2 кг непрерывно охлаждали в сосуде при постоянной скорости теплоотвода. Зависимость температуры воды от времени представлена на графике. Выберите два верных утверждения, соответствующих данным графика. Запишите в ответе их номера.
1) Лёд является аморфным веществом.
2) Через 15 мин. после начала остывания в сосуде находилась только вода.
3) Вся вода превратилась в лёд через 40 мин. после начала кристаллизации.
4) Удельная теплоёмкость воды в 2 раза меньше, чем удельная теплоёмкость льда.
5) При остывании воды на 20 �С выделяется в 2 раза большее количество теплоты, чем при остывании льда на 20 �С.
9. Электрическая линия для розеток в кухне оснащена автоматическим выключателем, который размыкает линию, если сила тока в ней превышает 25 А. Напряжение электрической сети 220 В. В таблице представлены электрические приборы, используемые на кухне, и потребляемая ими мощность. На кухне работают посудомоечная машина, холодильник и электрическая духовка. Можно ли при этом дополнительно включить электрический чайник? Запишите решение и ответ.
10. Ученик исследовал зависимость силы Архимеда от объёма погружённой в жидкость части тела. В таблице представлены результаты измерений объёма погружённой части тела и силы Архимеда с учётом погрешностей измерений. Какова приблизительно плотность жидкости, в которую опускали тело?
11. Учащиеся на уроке последовательно подвешивали к пружине динамометра грузы равной массой, исследуя зависимость удлинения пружины от количества подвешиваемых грузов. С какой целью проводился данный опыт?
12. Вам необходимо исследовать, как меняется давление воздуха при изменении его объёма, если другие параметры воздуха остаются неизменными. Имеется следующее оборудование (см. рисунок): − сильфон (прибор, при помощи которого можно изменять объём воздуха; сильфон подключается к манометру); − манометр; − сосуд с водой; − горелка. В ответе: 1. Опишите экспериментальную установку. 2. Опишите порядок действий при проведении исследования.
13. Установите соответствие между научными открытиями и именами учёных, которым эти открытия принадлежат. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
А) открытие нейтрона
Б) открытие атомного ядра
14. На каком явлении основан принцип перевода электромагнитного сигнала в зрительный образ в жидкокристаллическом телевизоре?
15. Почему экранам жидкокристаллических телевизоров не свойственно мерцание, как
телевизорам с электронно-лучевой трубкой?
16. Вставьте в предложение пропущенные сочетания слов, используя информацию из текста. Мягкое гамма-излучение образуется в процессе энергетических переходов , а гамма-кванты с энергией более 100 гигаэлектронвольт возникают при взаимодействии в ускорителях элементарных частиц.
Ответ: внутри ядер / внутри ядер атомов заряженных частиц
17. Энергия кванта определяется по формуле E = hν. Определите частоту гамма-излучения, которое порождает в атмосфере Земли каскады частиц, летящих со скоростями, близкими к скорости света.
Ответ: 2 10 ⋅ Гц
ПОДЕЛИТЬСЯ МАТЕРИАЛОМ
P-, C-, CP- и CPT-симметрии
Я рассказал об эксперименте группы Ву отнюдь не случайно. Дело в том, что интерес ряда физиков к измерению электрического дипольного момента (ЭДМ) электрона восходит как раз к доказательству несохранения четности в слабых взаимодействиях — правда, в довольно глубокой ретроспективе.
Когда специалисты по физике частиц узнали о результатах эксперимента Ву и ее коллег (и аналогичного по выводам, но осуществленного другим способом эксперимента, выполненного в 1957 году под руководством Леона Ледермана), они испытали довольно сильный шок. Однако без большой задержки Ли и Янг в США и Лев Давидович Ландау в СССР высказали гипотезу, что любые физические взаимодействия (следовательно, и слабое) инвариантны относительно произведения (композиции) двух операций — зеркального отражения (его принято обозначать латинской буквой P) и зарядового сопряжения, то есть замены частиц на античастицы (операция C). Это означает, что две системы частиц, одна из которых получается из другой применением этих операций, будут физически эквивалентны. Согласно гипотезе Ли, Янга и Ландау, эта так называемая CP-симметрия сохраняется во всех элементарных процессах. Поэтому, например, распад частиц под действием слабого взаимодействия должен выглядеть точно так же, как отраженный в зеркале распад их античастиц.
Однако эта красивая гипотеза продержалась недолго. В 1964 году американские физики во главе с Джеймсом Кронином и Валом Фитчем экспериментально доказали, что CP-симметрия не соблюдается при распадах некоторых электрически нейтральных каонов (они же К-мезоны). Так, ее сохранение запрещало каону \(K_2^0\) распадаться на два нейтральных пиона — только на три. Однако Кронин, Фитч и их коллеги обнаружили, что приблизительно 0,2% таких распадов все же приходится на пионные пары. Хотя это нарушение СР-симметрии было очень незначительным, оно все же имело место.
И здесь история не закончилась. В самом начале нашего столетия японские и американские физики выяснили, что эта симметрия не соблюдается и при распадах нейтральных B-мезонов, причем куда сильнее, чем в случае каонов. Я не буду вдаваться в подробности этих экспериментов, вот хороший обзор. Главное в том, что в природе существуют процессы с участием слабого взаимодействия, которые нарушают СР-симметрию (кстати, в них также участвуют и нейтральные D-мезоны). Иначе говоря, эта симметрия не универсальна.
Как зеркальное отражение, так и зарядовое сопряжение относятся к числу дискретных преобразований, не зависящих ни от каких численных параметров. Напротив, лежащие в основе эйнштейновской теории относительности преобразования группы Лоренца непрерывны, поскольку зависят от относительной скорости систем отсчета. В квантовой физике имеется еще одно важнейшее дискретное преобразование T — обращение времени. Подобно двум другим, оно влияет на поведение различных физических величин. Например, при обращении времени энергия частицы (или системы частиц) сохраняется, импульс и угловой момент (как орбитальный, так и спиновый) меняют знаки на противоположные, электрическое поле остается неизменным, а магнитное поле опять-таки меняет знак.
Можно подумать, что обращение времени, в отличие от операций С и Р, есть чисто математическая процедура, ведь в реальности оно не наблюдается. Его можно имитировать, прокрутив вспять киноленту, но к физике такой фокус отношения не имеет. На деле ситуация сложнее. В первой половине 1950-х годов несколько физиков (включая таких гигантов, как Джулиан Швингер и Вольфганг Паули) разными способами и с разной убедительностью доказали чрезвычайно важный принцип, получивший название CPT-теоремы. Она утверждает, что любая квантовополевая теория, удовлетворяющая требованию лоренц-ковариантности и еще паре-тройке абсолютно разумных ограничений, должна быть инвариантна относительно последовательного применения операций C, P и T (в любом порядке). Это означает, что если взять любую теорию из этого семейства и подвергнуть ее уравнения операциям зеркального отражения, замены частиц на античастицы и обращения времени, то вторая теория будет физически эквивалентна первой. У CPT-теоремы есть немало очень глубоких следствий: например, из нее вытекает, что массы и времена жизни любой частицы и ее античастицы должны быть абсолютно одинаковы. Пока что ни один эксперимент не поставил этот вывод под сомнение.
А вот и еще одно следствие. Если CPT-теорема верна, а CP-инвариантность хоть где-то нарушается, то не должна соблюдаться и T-инвариантность. Так что выходит, что в каких-то превращениях частиц нарушается обратимость времени! Физически это означает, что скорость таких превращений в «прямом» и «обратном» направлениях неодинакова. Выходит, что в микромире есть своя стрела времени. В прошлом столетии этот открытие стало крупной неожиданностью для физиков.
В этом не было бы ничего удивительного, если бы мы говорили о макропроцессах, которые описываются классической физикой. Так, обратимость времени несовместима со вторым законом термодинамики, который утверждает, что в макромире все реальные процессы должны идти с суммарным возрастанием энтропии. Это, конечно, понятно и без высокой науки — налитый из чайника кипяток постепенно остывает, но сам собой никогда не нагревается. Однако тот факт, что в микромире тоже есть стрела времени, стал для физиков крупной неожиданностью.
Но и это не всё. Нарушения СР-симметрии непосредственно связаны с отличием материи от антиматерии. Об этом говорит очень красивый эксперимент с нейтральными каонами, выполненный в ЦЕРНе в конце 1990-х годов, который стоит вспомнить, пусть и без подробностей.
Для начала отмечу, что если бы СР-симметрия соблюдалась абсолютно строго, то нейтральные каоны переходили бы в свои античастицы с точно такой же вероятностью, с какой те претерпевали бы обратные превращения. Любое нарушение СР-симметрии должно влечь за собой изменение одной из этих вероятностей. Если приготовить пучок из равного числа нейтральных каонов и антикаонов и проследить динамику концентрации тех и других, можно выяснить, уважают ли их превращения СР-симметрию.
Именно это и сделали физики из ЦЕРН. Они выяснили, что нейтральные антикаоны становятся каонами чуть-чуть быстрее, чем те превращаются в антикаоны. Иначе говоря, был обнаружен процесс, в ходе которого антиматерия превращается в материю быстрее, чем материя — в антиматерию! В смеси с изначально равными долями вещества и антивещества со временем образуется пусть небольшой, но все же поддающийся измерению избыток вещества. Такой же эффект был выявлен в экспериментах и с другими массивными нейтральными частицами — уже упоминавшимися D0-мезонами и B0-мезонами.
Таким образом, к концу ХХ века экспериментаторы убедительно доказали, что слабые взаимодействия по-разному влияют на частицы и античастицы. Хотя эти различия сами по себе очень малы и выявляются лишь в ходе некоторых превращений весьма экзотических частиц, они демонстрируют физическую асимметрию между материей и антиматерией. Это означает, что природа на фундаментальном уровне не соблюдает и С-симметрию.
Эти результаты имеют прямое отношение к космологии. Астрофизики давно установили, что в современной Вселенной нет областей, заполненных антивеществом со времени ее рождения. Конечно, античастицы разных видов постоянно возникают (и аннигилируют) в великом множестве высокоэнергетичных процессов (например, в звездных ядрах), но погоды они не делают. Речь идет о полном отсутствии реликтового антивещества, оставшегося с самой ранней эпохи существования Вселенной. Поскольку ядра всех элементов Периодической системы, которые и образуют «обычное» вещество, состоят из барионов (конкретно, из протонов и нейтронов), это положение дел несколько условно называют барионной асимметрией Вселенной. Коль скоро барионы состоят из кварков, можно было бы говорить и о кварковой асимметрии. Частицы темной материи, если они существуют, в этот расклад не входят, поскольку их природа не известна.
Барионная асимметрия нуждается в разумном объяснении. Конечно, можно допустить, что Вселенная с самого рождения вообще не содержала антивещества, но поверить в это трудно. Куда естественней предположить, что самая ранняя (и чрезвычайно горячая и плотная) Вселенная была в равной мере заполнена частицами и античастицами. Однако потом — и очень быстро — возник небольшой избыток частиц. Поскольку плотность материи была в то время исключительно высока, все античастицы встретились с частицами и аннигилировали, а выжившие частицы дали начало всем видам вещества. Этот гипотетический процесс называют генерацией барионной асимметрии.
В 1967 году Андрей Дмитриевич Сахаров опубликовал ставшую классической статью, в которой сформулировал три условия, необходимые для генерации барионной асимметрии (А. Д. Сахаров, 1967. Нарушение СР-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной). И одно из них как раз требует того самого нарушения С-симметрии и СР-симметрии, о котором говорилось выше. Его физический смысл совершенно ясен. Если бы бы такого нарушения не было, то процессы с участием кварков и антикварков происходили бы с одинаковой скоростью, и изначально барион-симметричная среда такой бы и осталась на все времена.
Казалось бы, все в порядке, причина барионной асимметрии найдена. Но — так, да не так. Во-первых, нарушение этих двух симметрий выявлено в экспериментах, охватывающих один лишь кварковый сектор материи. К тому же оно затрагивает лишь процессы с участием кварков только двух старших поколений — странных, очарованных и b-кварков. Кварки первого поколения, из которых состоят протоны и нейтроны, остались вне игры. Во-вторых, масштабы этих нарушений слишком малы, чтобы ими можно было объяснить генерацию барионной асимметрии. И дело не только в экспериментах с экзотическими мезонами. Господствующая сейчас теория микромира, Стандартная модель элементарных частиц, тоже допускает процессы с нарушением дискретных симметрий — но опять-таки, в слишком незначительных масштабах. Так что проблема остается.
В общем, вывод ясен. Физика нуждается в более убедительных объяснениях барионной асимметрии, и лучше бы их нашлось побольше. Теоретики, конечно, таковые уже придумали, но и новые не помешают. В частности, такие резервные варианты стоит поискать не в кварковом, а в лептонном секторе.
История физики космических лучей
Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли. Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, всё равно наблюдался остаточный ток. В 1911—1912 годах был проведён ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Гесс обнаружил, что излучение растёт с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В опытах Кольхерстера было доказано, что это излучение направлено сверху вниз.
В 1921—1925 гг. американский физик Милликен, изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами.
В 1925 году советские физики Л. Р. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления — открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В. Скобельцына с камерой Вильсона, помещённой в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счёт ионизации, следы (треки) космических частиц. В 1938 году Пьер Оже открыл ливни космических частиц.
Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий: в 1932 году Андерсон открыл в космических лучах позитрон; в 1937 году Андерсоном и Неддермейером были открыты мюоны и указан тип их распада; в 1947 году открыли -мезоны; в 1955 году в космических лучах установили наличие К-мезонов, а также и тяжёлых нейтральных частиц — гиперонов.
Квантовая характеристика «странность» появилась в опытах с космическими лучами. Эксперименты в космических лучах поставили вопрос о сохранении чётности, обнаружили процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях, позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии.
Задания и ответы с 1 варианта
1. Прочитайте перечень понятий, с которыми Вы встречались в курсе физики: масса, плавление, альфа-распад, индуктивность, самоиндукция, относительная влажность воздуха Разделите эти понятия на две группы по выбранному Вами признаку. Запишите в таблицу название каждой группы и понятия, входящие в эту группу.
2. Выберите два верных утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите в ответе их номера.
1) Сила – векторная величина, равная произведению массы тела на сообщаемую ему скорость.
2) Тепловым движением называют самопроизвольное перемешивание газов или жидкостей.
3) При протекании электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяющееся в нём за одно и то же время, возрастает пропорционально квадрату силы тока.
4) Ультрафиолетовое, рентгеновское и видимое излучения имеют электромагнитную природу и различаются длиной волны в вакууме.
5) Альфа-, бета- и гамма-компоненты радиоактивного излучения – волны электромагнитной природы, различающиеся частотой.
3. Эскалатор метро движется вниз с постоянной скоростью, равной 1 м/с. Пассажир, находящийся на эскалаторе, находится в покое в системе отсчёта, связанной с Землёй. Как движется пассажир относительно эскалатора?
Ответ: поднимается со скоростью 1м/с
4. Какие из приведённых ниже утверждений являются признаками идеального газа? 1. Размеры молекул пренебрежимо малы. 2. Учитывается только потенциальная энергия взаимодействия молекул, кинетической энергией теплового движения молекул пренебрегают. 3. Взаимодействием между молекулами пренебрегают. В ответе запишите номер(а) утверждения(-ий).
Ответ: 1 и 3
5. Пылинка, имевшая отрицательный заряд –10е (где е – элементарный заряд), при освещении потеряла три электрона. Каким стал заряд пылинки?
6. В инерциальной системе отсчёта свет от неподвижного источника распространяется в вакууме со скоростью c = 300 000 км/с. На неподвижное зеркало перпендикулярно поверхности падает свет от источника, который удаляется от зеркала со скоростью υ (см. рисунок). Какова скорость отражённого света в инерциальной системе отсчёта, связанной с источником?
Ответ: 300000 км/с
7. Из однородной металлической проволоки сделано кольцо. Напряжение на полюсах источника тока постоянно. Как изменятся общее сопротивление и потребляемая мощность цепи, если переключатель К перевести из положения 3 в положение 1? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
8. На рисунке представлен график зависимости температуры от времени для процесса непрерывного охлаждения стали при неизменной мощности отвода энергии. В начале процесса сталь находилась в жидком состоянии. Выберите два верных утверждения, соответствующих данным графика. Запишите в ответе их номера.
1) При остывании стали на 100 �С в жидком состоянии выделяется меньшее количество теплоты, чем при остывании на 100 �С в твёрдом состоянии.
2) Теплоёмкость стали в твёрдом состоянии больше, чем её теплоёмкость в жидком состоянии.
3) В момент времени t = 80 мин. сталь находилась в жидком состоянии.
4) Температура плавления стали составляет 1500 �С.
5) В промежутке времени от 40 до 80 мин. внутренняя энергия стали уменьшалась.
9. Мячик массой 200 г из состояния покоя падает вертикально с отвесной скалы высотой 40 м, отскакивает от земли и поднимается вертикально вверх на высоту 30 м. На рисунке представлен график зависимости положения (высоты h относительно поверхности Земли) мяча от времени в ходе этого движения. Как изменилась полная механическая энергия мяча за время удара о землю? Запишите решение и ответ. Сопротивлением воздуха пренебречь.
10. С помощью динамометра измеряли вес груза. Погрешность измерений равна половине цены деления шкалы динамометра. Запишите в ответ показания динамометра с учётом погрешности измерений.
11. Учитель на уроке довёл воду в стакане до кипения. В процессе кипения воды (до практически полного её испарения) учащиеся следили за показаниями термометра. Показания не изменялись. С какой целью был проведён данный опыт?
13. Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца.
А) тепловизор (прибор ночного видения, основанный на улавливании тепловых лучей)
Б) приборы для получения снимков участков скелета человека
14. В инструкции не рекомендуется устанавливать обогреватель в ванной. Объясните, почему?
15. Почему в инструкции запрещается накрывать обогреватель какими-либо (даже негорючими) предметами?
16. Вставьте в предложение пропущенные слова, используя информацию из текста. При усиленном дыхании организм человека , так как относительная влажность выдыхаемого воздуха достигает за счёт испарения воды с большой поверхности лёгких.
Ответ: теряет тепло, 100%
Ответ: 240 кДж
18. На рисунке приведены данные о теплоотдаче тела человека посредством различных способов. Какой примерно температуре воздуха соответствует такое распределение теплопотерь в отсутствие физических нагрузок? Ответ поясните.
Значение для космических полётов
Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей — учёные из России и США уже ищут способы решения этой проблемы.
Наконец-то ЭДМ
ЭДМ любой физической системы, содержащей электрически заряженные компоненты (дискретные или непрерывно распределенные в ее объеме) — это векторная величина, которая в первом приближении характеризует пространственную структуру всей совокупности этих компонент. Я не буду приводить формальных определений, их можно найти, например, здесь. Если считать электрон чем-то вроде микросферы, равномерно заполненной отрицательным электричеством, ее ЭДМ окажется строго нулевым. С другой стороны, если рассматривать электрон как некое подобие овала с переменной плотностью распределения заряда, то его ЭДМ в общем случае будет отличен от нуля. При этом его направление (напомню, что ЭДМ — это вектор) всегда должно быть коллинеарно (то есть параллельно или антипараллельно) спину электрона. Причина этого проста: спин электрона — это его единственный собственный параметр, который может ориентироваться в пространстве и тем самым задавать определенное направление. Кстати, это же верно и в отношении магнитного дипольного момента, который тоже коллинеарен спину (точнее, антипараллелен — в силу того, что заряд электрона считается отрицательным).
Откуда у электрона мог бы появиться ЭДМ? Согласно Стандартной модели, это может произойти в силу взаимодействия электрона с массивными частицами, которое не будет обладать ни СР-инвариантностью, ни, соответственно, С-инвариантностью. В результате оно сможет вызвать перераспределение плотности электронного заряда и тем самым породить электронный ЭДМ. Единица измерения ЭДМ электрона или любой другой частицы — это произведение элементарного электрического заряда e (который по определению считается положительным и равен 1,6×10−19 кулона) на сантиметр. Согласно Стандартной модели, электронный ЭДМ по порядку величины никак не может превышать 10−38 e·см. Прямое измерение столь малой величины пока лежит за рамками возможностей эксперимента.
Казалось бы, при таком раскладе зачем и стараться? Однако можно предположить, что существуют лежащие за рамками Стандартной модели частицы, которые порождают у электрона ЭДМ куда большей величины. И это отнюдь не произвольная фантазия. Некоторые расширения Стандартной модели (в частности, основанные на теории суперструн) дают для ЭДМ электрона значения, лежащие в диапазоне (10−27–10−30) e·см. Такие величины уже доступны для измерения в современных прецизионных экспериментах. Если бы их удалось определить, можно было бы приблизительно установить и массу этих гипотетических частиц, которая во многих моделях обратно пропорциональна квадратному корню из абсолютной величины электронного ЭДМ. А после этого имело бы смысл задуматься и о возможности (либо невозможности) их детектирования на БАК или более мощных ускорителях, которые, как надеются физики, когда-нибудь придут ему на смену. Главная надежда состоит в том, что такие частицы могли бы увеличить степень нарушения С- и СР-инвариантности в слабых взаимодействиях и тем самым помочь решить проблему барионной асимметрии.
Не надо думать, что интерес к электронному ЭДМ возник лишь недавно. Физики начали обдумывать эту проблему свыше сорока лет назад, вскоре после создания Стандартной модели. Однако первая экспериментальная оценка этой величины, полученная гарвардско-йельской коллаборацией ACME (Advanced Cold Molecule Electron), которая по порядку величины не слишком отличается от новейшего результата физиков из Болдера, была опубликована только в конце 2013 года (см. новость Первые результаты эксперимента ACME: электрический дипольный момент электрона по-прежнему нулевой, «Элементы», 30.12.2013). Согласно выводам ее участников, абсолютная величина электронного ЭДМ не может превышать 8×10−29 e·см. Как видим, этот верхний предел укладывается в отмеченный в предшествующем абзаце диапазон возможных значений ЭДМ в ряде расширенных версий Стандартной модели.
Один из возможных путей к измерению электронного ЭДМ по идее очень прост. Возьмем молекулу, имеющую достаточно автономный валентный электрон и сильное внутреннее электрическое поле, задающее ее геометрическую ось. Затем найдем способ ориентировать спин валентного электрона параллельно и антипараллельно этому полю. Если ЭДМ электрона равен нулю, оба состояния молекулы будут иметь одинаковую энергию. При ненулевом ЭДМ его вектор также будет менять ориентацию относительно поля, и между энергетическими уровнями этих состояний появится различие. Если его удастся измерить, можно будет определить и величину ЭДМ (естественно, работать надо не с одной молекулой, а с целым молекулярным ансамблем). Именно такова схема эксперимента коллаборации ACME, которая использовала молекулы монооксида тория ThO.
Физики из Болдера применили тот же метод, но в другом исполнении. Вместо оксида тория они работали с однократно ионизированными молекулами фторида гафния HfF+. Эти молекулы обладают чрезвычайно сильным внутренним электрическим полем с эффективной напряженностью 23 гигавольт/см, направленным от иона гафния к иону фтора. Вектор этого поля как раз и задает геометрическую ось каждой молекулы.
Общая схема эксперимента представлена на рисунке ниже. Заряженные молекулы фторида гафния «запирались» в ионной ловушке, на которую накладывалось вращающееся внешнее электрическое поле напряженностью около 58 вольт/см. Под его воздействием молекулы переходили в серию дублетных состояний (см. Doublet state). При этом у двух таких дублетов молекулярные оси оказывались ориентированы в пространстве — у одного параллельно внешнему полю (он изображен в верхней части схемы), у другого антипараллельно (нижняя часть). Дополнительно на ловушку накладывалось слабое магнитное поле, которое действовало на магнитные моменты валентных электронов. В результате у одних молекул каждого дублета спины этих электронов ориентировались более или менее в направлении внутримолекулярного электрического поля, а у других обретали противоположную ориентацию (направления спинов также представлены на схеме). Благодаря этому состояния с разными спиновыми ориентациями валентного электрона могли оказываться на разных энергетических уровнях — естественно, только если электронный ЭДМ отличен от нуля. В этом случае у обоих дублетов разница между уровнями должна равняться удвоенному произведению абсолютной величины ЭДМ на напряженность внутримолекулярного поля — у одного со знаком плюс, а у другого со знаком минус. На правой половине рисунка представлена схема ионной ловушки, в которой проводились измерения. Поскольку там задан и масштаб, хорошо видно, что размеры ловушки измеряются всего лишь десятками сантиметров. Так что это вполне камерный эксперимент.
Экспериментаторы предполагали, что в силу огромной величины внутримолекулярного поля (напомню, аж 23 ГВ/см!), такие различия в энергии удастся обнаружить даже при очень малой величине электронного ЭДМ. Соответствующие измерения проводились на пространственно разделенных «облаках» молекул, которые приготовлялись в том или ином дублетном состоянии. Эксперимент продолжался около двух месяцев, а суммарное время измерений составило около 620 часов. Он был осуществлен в 1370 раундах, причем для каждого использовалось порядка двадцати тысяч ионов фторида гафния. Технические детали измерений подробно описаны в обсуждаемой статье.
Физики из Болдера впервые опробовали свой метод еще 6 лет назад, но их тогдашние результаты оказались довольно грубыми и заведомо уступали по надежности результатам коллаборации ACME (W. Cairncross et al., 2017. Precision Measurement of the Electron’s Electric Dipole Moment Using Trapped Molecular Ions). Последующая отработка экспериментальной техники позволила их заметно улучшить. Теперешняя оценка величины электронного ЭДМ равна (−1,3±2,0±0,6)×10−30 e·см. Первая поправка представляет статистическую погрешность обработки экспериментальных данных, а вторая — систематическую погрешность. Знак «минус» перед значением ЭДМ означает, что он направлен антипараллельно спину электрона.
Окончательный вывод участников эксперимента состоит в том, что абсолютное значение верхней границы величины электрического дипольного момента электрона с 90-процентой достоверностью равно 4,1×10−30 e·см. Если предположить, что этот момент действительно отличен от нуля и создан «вмешательством» еще неизвестных массивных частиц, то, согласно упоминавшимся расширениям Счтандартной модели, их масса не может быть меньше 40 ТэВ. Поскольку максимальная энергия протон-протонных столкновений на Большом адронном коллайдере сейчас равна 13,6 ТэВ, получение этих частиц на БАК пока что неосуществимо. По всей вероятности, в ближайшие десять лет эта ситуация не изменится.
А вот попытки измерить величину электронного ЭДМ они практически наверняка будут продолжаться, причем разными способами. Стоят они сравнительно немного (особенно в сравнении с затратами на суперускорители), а результаты могут дать весьма интересные. О планах будущих экспериментов этого рода, которые сейчас прорабатываются, рассказано в конце заметки, опубликованной в том же выпуске Science, что и статья физиков из Болдера. А пока что стоит набраться терпения.
А в заключение вишенка на торте. В Северо-Западном университете, расположенном в пригороде Чикаго Эванстоне, уже несколько лет действует Центр исследований в области фундаментальной физики посредством настольных экспериментов (Center for Fundamental Physics with Tabletop Experiments). Там очень активно развивают новые технологии суперпрецезионных измерений, которые обещают открыть новые тайны микромира. Я думаю, что стоит последить за его работой.