Fizika

Wigner Jenő, a kvantummechanika úttörője még nem volt 32 éves, amikor 1934-ben megalkotta egy különös anyag, egy kizárólag elektronok alkotta kristály elméletét. A fizikusok az elmúlt csaknem kilencven évben sok mindennel próbálkoztak, hogy az elektronokat arra késztessék, hogy Wigner-kristályba álljanak össze, de erőfeszítéseiket nem sok siker koronázta. Idén nyáron azonban két egymástól független fizikuscsoport arról számolt be a Nature-ben, hogy sikerült az eddigi legközvetlenebb kísérleti megfigyeléseket tenniük a magyar tudós által feltételezett kristályról. Az ember azt hinné, hogy a Wigner-kristály létrehozásához egyszerűen csak le kell hűteni az elektronokat. Az elektronok taszítják egymást, a hűtés azonban lecsökkentené az energiájukat, és egyszerűen rácsba rendezné őket, mint ahogy a víz megfagy. Ám az elektronok ilyenkor különös kvantummechanikai törvényeknek vetik alá magukat, és hullámként kezdenek viselkedni: ahelyett, hogy egy szép rendezett rácsszerkezetben rögzülne a pozíciójuk, a hullámtermészetű elektronok lötybölődni kezdenek, és nekimennek a szomszédaiknak. Aminek kristálynak kellene lennie, az valami olyasmivé alakul, mint egy elektronpocsolya.

Az egyik publikáló csapat szinte véletlenül bukkant rá a Wigner-kristályra. A Harvard Egyetem Hongkun Park kémikus és fizikus vezette kutatócsoportja éppen az elektronok viselkedését igyekezett megfigyelni olyan szendvicsszerű szerkezetben, amelyben elképesztően vékony félvezetőrétegeket választott ketté az elektronok számára áthatolhatatlan közeg. A kutatók -230 Celsius-fokra hűtötték a félvezetőszendvicset, és az elektronok számát módosítgatták a két rétegben. Ezáltal megfigyelhették, hogy ha bizonyos számú elektron van a két rétegben, azok meglepően mozdulatlanná válnak. „Valamiért az elektronok nem tudtak jönni-menni a félvezetőkben, ami igazán meglepő felfedezés volt” – fogalmazott You Zhou, a kutatás vezetője, a Marylandi Egyetem anyagtudománnyal foglalkozó mérnök adjunktusa. Zhou megosztotta felfedezésüket elméleti kollégáival, akiknek beugrott Wigner Jenő 1934-es teóriája. Wigner annak idején úgy kalkulált, hogy egy lapos, kétdimenziós anyagban az elektronok olyasmi szerkezetbe rendeződnének, mint a háromszögű csempék által fedett padló. Ez a kristályszerkezet pedig teljes egészében megakadályozza az elektronokat a mozgásban.

Zhouék kristályában az elektronok közötti taszító erők mindkét félvezetőrétegben és az elválasztó rétegben is a Wigner-féle háromszögű rácsba rendezték az elektronokat. Ráadásul ezek az erők elég erősek voltak ahhoz, hogy megakadályozzák az elektronok szökését és lökdösődését, ami a kvantummechanika törvényeiből következett volna. Az elektronok azonban csak akkor viselkedtek így, ha a számuk a rétegekben úgy alakult, hogy a felső és az alsó kristályrács illeszkedjen: a kisebb háromszögeknek az egyik rétegben pontosan ki kell tölteniük a másik réteg nagyobb háromszögeiben lévő teret. A két réteg elektronszámai közötti arányt, amely a fenti helyzet előállásának feltétele volt, Park „a kétrétegű Wigner-kristály árulkodó jelének” nevezte. Amint a kutatók rájöttek, hogy Wigner-kristályt készítettek, rögtön meg is olvasztották azáltal, hogy arra késztették az elektronokat, hogy vessék alá magukat saját kvantum-hullámtermészetüknek. A Wigner-kristály olvadása egy kvantum-fázisátalakulás, hasonló ahhoz, amikor a jégkocka vízzé válik, csak melegítés nélkül. Az elméleti fizikusok korábban már megjósolták, hogy milyen feltételek szükségeltetnek ehhez a folyamathoz, az új kísérlet pedig elsőként erősítette meg az elméletet közvetlen mérések által.

https://qubit.hu/2021/08/23/szenzacio-az-elmeleti-fizikaban-sikerult-letrehozni-a-wigner-jeno-altal-1934-ben-megalmodott-kristalyt

Az E = mc2 képlet, vagyis a tömeg-energia ekvivalencia szerint két elegendő energiájú foton (vagyis fényrészecske) egymásnak eresztésével anyag és antianyag hozható létre, elektron és pozitron formájában. A folyamatot elsőként 1934-ben írta le két amerikai fizikus, Gregory Breit és John Wheeler, de megfigyelni egészen idáig nem sikerült, mivel ehhez a szóban forgó fotonoknak nagy energiájú gamma-sugaraknak kellene lenniük, amit a kutatók még nem tudtak előállítani. A New York-i Brookhaven Nemzeti Kutatóközpont kutatói azonban most azt jelentették, hogy más úton, de sikerült bizonyítani a jelenséget: a központban található relativisztikus nehézion-ütköztető (RHIC) segítségével olyan méréseket hajtottak végre, amelyek túlnyomórészt megegyeztek az előzetes számításokkal. „Breit és Wheeler még arról írtak, hogy ez szinte lehetetlen. De akkor még nem is léteztek lézerek! Breit és Wheeler ezért egy alternatívát javasolt: nehéz ionok gyorsítását. Épp ezt tesszük az RHIC-ben” – mondta Zhangbu Xu, a Brookhaven fizikusa.

A fotonok közvetlen ütköztetése helyett a kutatók két iont gyorsítottak fel egy gyűrűben, majd elküldték őket egymás mellett, úgy, hogy majdnem összeütközzenek. Mivel az ionok olyan részecskék, amelyek elektromos töltéssel rendelkeznek, és a fénysebességet közelítik, elektromágneses mezőt is hordoznak, amelyen belül számtalan virtuális foton található. Amikor az ionok elszáguldottak egymás mellett, a virtuális fotonokat tartalmazó „felhőik” olyan gyorsan mozogtak, hogy valódi részecskékként viselkedtek – amikor pedig összeütköztek, teljesen valódi elektron-pozitron párokat hoztak létre. A kutatók utólag megállapították, hogy a virtuális fotonok valódiként viselkedtek, mivel a több mint 6000 létrehozott elektron-pozitron pár ugyanolyan szögben vált le a részecskékről, mint ha valódi fotonok ütköztek volna – ezzel sikeresen demonstrálták a Breit-Wheeler–folyamatot. Azoknak, akik ennek ellenére sem fogadják el a virtuális részecskékkel folytatott kísérletet, meg kell várniuk, amíg a fizikusok képesek lesznek olyan erős lézereket előállítani, amelyekkel valódi fotonok ütközése is lehetővé válik.

https://qubit.hu/2021/08/19/eloszor-hoztak-letre-fenybol-anyagot-einstein-hires-egyenlete-alapjan

48 éve tart a nemzetközi verseny egy rendkívül tünékeny részecske, az Odderon létezésének bizonyítására. A szenzációs felfedezés elsőként négy magyar és egy svéd kutatónak sikerült – adta hírül hétfőn a Magyar Agrár- és Élettudományi Egyetem (MATE). A Wigner Fizikai Kutatóközpont, a MATE Műszaki Intézet, a svédországi Lundi Egyetem és az Eötvös Loránd Tudományegyetem kutatói a rangos European Physical Journal C kötetében közölték felfedezésüket.

Az Odderon létezését 1973-ban vetette fel először L. Lukaszuk és B. Niculescu. Az Odderon részecske felfedezésére, mérési adatokból történő biztonságos kimutatására azonban 2021-ig kellett várni. A magyar-svéd kutatócsoport elsőként találta meg először az Odderon létezésének egyértelmű jelét kísérleti adatokban. A tudósok egy innovatív, a magyar kutatók által kitalált módszerrel arattak sikert: a már korábban közölt kísérleti mérési adatokat rostálták át, elemezték újra. A modern fizika szerint minden kölcsönhatásért egy-egy részecske cseréje felelős. A jól ismert elektromosság és mágnesesség például a fényrészecskék, a fotonok cseréjével írható le. „Az Odderon cseréje miatt a rugalmas proton-proton és a proton-antiproton ütközések között kis különbség mérhető ki, amit most sikerült először a felfedezés szakmai kritériumainak megfelelő bizonyossággal számszerűsíteni” – mondta Ster András, a Wigner Fizikai Kutatóközpont fizikusa.

Egy másik, 463 szerzős kézirat is eljutott már a megfejtéshez. A tanulmányban új adatok segítségével a Nagy Hadronütköztető TOTEM kísérlete és az amerikai Tevatron gyorsító D0 kísérlete erősítette meg az Odderon felfedezését, óriási anyagi és emberi erőforrások mozgósításával. Valóban úgy tűnik tehát, hogy új fejezet nyílt meg az erős kölcsönhatás vizsgálatában, az Odderon több különböző közleményben történt, közel egyidejű kimutatásával.
https://qubit.hu/2021/03/08/magyar-es-sved-tudosok-szenzacios-felfedezese-itt-az-uj-reszecske-az-odderon

Egészen bizsergető, a fizika standard modelljén túlmutató elmélettel álltak elő a mainzi Johannes Gutenberg Egyetem elméleti fizikusai, amely a téridő egy extra dimenziójával képes magyarázatot adni az elemi részecskék tömegében látható mintázatokra, valamint a sötét anyag létezésére is. Az elmélet becsléseit eddig kísérletekkel nem lehetett alátámasztani, egy friss kutatásban azonban a fizikusoknak sikerült áthidalnia ezt a problémát – írja a Science Daily.

Az egyetem honlapján február elején taglalt, a European Physical Journal C szaklapban publikált kutatásban a kutatók a Kaluza–Klein-elmélet nyomdokán indultak el. Ez már az 1920-as években megpróbálta egyesíteni a gravitációt és az elektromágnesességet, és azt pedzegette, hogy a hagyományos három dimenzió, illetve az idő – vagyis a négydimenziós téridő – mellett létezik egy ötödik dimenzió is, amelyet az emberi szem nem képes észlelni. Az 1990-es évek végén az elméletnek volt egy reneszánsza is, a fizikusok ugyanis rájöttek, hogy ezzel a részecskefizika számos nyitott kérdését meg lehetne válaszolni – többek közt például az elemi részecskék tömegének rejtélyes mintázatait is. Két évtizeddel később aztán az is kiderült, hogy az ötdimenziós koordinátarendszerben végzett számítások egy új részecske létezését is előirányozzák, amely a többi részecske tömegéért felelős Higgs-bozonhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, ám annál jóval nagyobb a tömege. Egészen pontosan olyan nagy, hogy még a legnagyobb részecskegyorsítóban, a Nagy Hadronütköztetőben sem lehetséges előállítani.

A kutatók számára természetesen elég lehangoló volt, hogy az elméletük megjósolta egy ilyen fontos részecske létezését, ám semmilyen eszközük nincs arra, hogy ezt be is bizonyítsák, most azonban úgy tűnik, hogy megoldást találtak erre a problémára. A fizikusok felfedezése szerint az új részecske lényegében nem más, mint egy közvetítő a látható univerzumunk ismert elemi részecskéi, illetve a sötét anyagot magába foglaló külön dimenzió között. A kutatók szerint ezzel az elmélettel a mérések alapján a kozmoszban bőségesen fellelhető sötét anyag jelenlétét is meg lehet magyarázni, ami új távlatokat nyit meg a sötét anyag alkotóelemei utáni hajszában egy extra dimenzió bevonásával, és lehetővé teszi, hogy megértsük, hogyan működött a fizika akkor, amikor a sötét anyag létrejött az univerzumban.

„Hosszú évek kutatása után most magabiztosan állíthatjuk, hogy az általunk felfedezett mechanizmus elérhetővé teszi a sötét anyagot a későbbi kísérletek számára, mert az elmélet által megjósolt részecske segítségével közvetített, hagyományos és sötét anyag közti interakció tulajdonságait pontosan meg lehet állapítani.” – mondta Matthias Neubert, a kutatás vezetője, aki szerint az új részecskét a sötét anyagot magába foglaló dimenzióval való interakciói segítségével lehet majd felfedezni.
https://telex.hu/tudomany/2021/02/14/otodik-dimenzio-sotet-anyag-fizika-kutatas-terido

Magyar fizikusok fedezték fel a természet ötödik kölcsönhatását. A debreceni kutatók megismételték három évvel ezelőtti korszakalkotó kísérletüket, és ugyanazt kapták: egy új elemi részecskét és a természetet irányító, eddig ismeretlen erőt fedeztek fel.

Az eredmények megértéséhez nem árt röviden kitérni arra, hogy a fizika úgynevezett standard modellje szerint négy alapvető kölcsönhatás (vagy erő) irányítja az univerzumot: a gravitáció, az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatás (utóbbi kettő az atomokat és az elemi részecskéket tartja egyben). A sötét anyag tulajdonságai azonban nem magyarázhatók pusztán e kölcsönhatásokat figyelembe vevő egyenletek segítségével, így számos fizikus véleménye szerint létezhet egy ötödik alapvető kölcsönhatás. 2015-ben azonban fordulópont következett, hiszen teljesen új spektrométert építettek az Atomkiban. Ma már tudják, hogy a korábbi kudarc oka az volt, hogy miközben ezt a feltételezett, az elektronnál 18-szor nehezebb részecskét keresték, nem nyitották elég szélesre a keresés ablakát. Krasznahorkay Attila először 2012-ben hozta nyilvánosságra egy konferencián, hogy 17 megaelektronvolt (MeV) környékén látnak egy új részecskét. Ezt a kísérletet később sokszor, egyre pontosabb méréseket lehetővé tévő körülmények között megismételték.

Végül bebizonyosodott, hogy 17 MeV-nél, tehát az elektron tömegének 34-szeresénél határozott effektus látható a spektrumon, amint az megjelent az egyik legtekintélyesebb fizikai folyóiratban 2016-ban. A kutatás azonban nem állt le, sőt most ért el abba az állapotba, amikor az ötödik kölcsönhatás felfedezését nemcsak valamiféle elméleti lehetőségként, hanem nagyon is valószínű tényként kell említenünk. Krasznahorkay csoportja feltöltött egy újabb tanulmányt, amely az eredeti kísérlet módosított megismétlésének eredményeit tartalmazza. Az új eredményeket megint csak képtelenség volt megmagyarázni a standard modell segítségével, így tovább erősödött az új részecske és vele együtt az új erő felfedezésének valószínűsége. Úgy tűnik, hogy a felfedezett részecske egy új típusú bozon. Márpedig az eddig ismert bozonok egy-egy alapvető kölcsönhatást hordoznak (például az elektromágnesességet hordozó foton vagy az erős kölcsönhatást hordozó gluon). Vagyis, ha új bozont találtak, azzal együtt jár az új kölcsönhatás is – bár ma még ennek jellemzőit nem ismerik.
https://index.hu/techtud/2019/11/25/magyar_fizikusok_a_termeszet_otodik_kolcsonhatasa_atomki_reszecskefizika_krasznahorkay_attila/