Bucureşti, 16 dec /Agerpres/ - Descoperirile din domeniul fizicii ocupă un loc aparte în lumea modernă, împing înainte ştiinţa şi tehnologia şi oferă răspunsuri concrete la întrebări fundamentale despre microcosmos şi macrocosmos. Deşi marele accelerator de particule LHC al CERN, din apropiere de Geneva, a fost oprit pentru modernizări, anul 2014 nu a dus lipsă de noi descoperiri în acest domeniu.

Un bizar comportament magnetic, studiat într-un experiment aproape de zero absolut
Comportamentul unui electron în răspuns la un magnet monopolar - un magnet cu un singur pol, polul nord - a fost studiat în cadrul unui material ultra-rece, care imită proprietăţile unui sistem magnetic natural. Iar acest comportament al sistemului magnet monopolar - electron este exact cel prevăzut de fizicianul englez Paul Dirac în 1931. Deşi toţi magneţii au un pol nord şi unul sud (până la nivelul protonilor şi electronilor), fizicienii sunt de părere că trebuie să existe şi particule magnetice monopolare, care s-ar fi format, cel mai probabil, la puţin timp după explozia primordială, Big Bang, atunci când Universul era extrem de fierbinte şi de dens. În 1931, fizicianul englez Paul Dirac a încercat să explice cum ar putea exista o astfel de particulă monopolară în cadrul Modelului Standard din fizică. El a prevăzut că un magnet monopolar ar lăsa o mică urmă caracteristică, asemănătoare unui vârtej, atunci când trece print-un electron, vârtej care ar avea un coridor gol în mijloc, de unde electronul este complet absent, şi s-ar încheia în particula magnetică monopolară. În teoria cuantică, electronii nu sunt nişte mase solide cu limite fixe, ci mai degrabă nişte bule difuze prin care pot trece alte particule. Teoria lui Dirac a fost confirmată experimental prin răcirea unor atomi de rubidiu până la 0,000000001 grade deasupra lui zero absolut (-273,15°C - este punctul de pe scara termodinamică la care energia termică a unui sistem îşi atinge minimul, în sensul că sistemul nu mai cedează căldură). La această temperatură atomii au un comportament cuantic bizar - se comportă mai degrabă ca o undă, şi nu ca un sistem de particule. Cercetătorii au folosit un atom de rubidiu pentru a imita un electron şi apoi au creat câmpul magnetic al unui magnet monopolar prin coordonarea alinierii a milioane de alţi atomi de rubidiu, fiecare dintre aceştia comportându-se în esenţă ca un mic ac de busolă care indică o direcţie uşor diferită. Apoi ei au studiat acest pseudo-electron în timp ce interacţiona cu câmpul magnetic generat.

Fuziunea nucleară: Un obiectiv din ce în ce mai apropiat
Oamenii de ştiinţă au făcut un important pas înainte în direcţia stăpânirii sursei de energie cu cel mai mare randament: fuziunea nucleară - proces care reprezintă principala sursă de energie a Soarelui şi a tuturor celorlalte stele active. O echipă de cercetători de la National Ignition Facility (NIF) a reuşit să obţină mai multă energie, ca rezultat al unei reacţii de fuziune nucleară, decât energia introdusă în sistem. În cadrul NIF sunt folosite instalaţii laser gigantice care descarcă energie asupra unui combustibil reprezentat de o granulă minusculă de hidrogen. Spre deosebire de energia nucleară convenţională, rezultată în urma procesului de fisiune (care sparge nucleul atomic), în cadrul procesului de fuziune două nuclee atomice reacţionează pentru a forma un nou nucleu, mai greu (cu masă mai ridicată) decât nucleele iniţiale, reacţie în urma căreia se eliberează o cantitate uriaşă de energie. Energia obţinută din procese controlate de fuziune nucleară este considerată un fel de Sfânt Graal energetic. Teoretic, procesul de fuziune nucleară poate oferi lumii o cantitate nelimitată de energie nepoluantă. Sursa acestei energii, familia de izotopi ai hidrogenului, reprezintă combustibilul cel mai răspândit în Univers şi ar fi, practic, disponibil în mod nelimitat pentru orice stat care ar deţine această tehnologie. În plus, procesul de fuziune nu produce radiaţiile nocive caracteristice fisiunii nucleare şi sunt eliminate complet pericolele asociate în prezent funcţionării centralelor atomice pe bază de fisiune nucleară.

Oamenii de ştiinţă au descoperit o altă particulă exotică - "picătura cuantică"
O echipă de fizicieni germani şi americani a anunţat la sfârşitul lunii februarie descoperirea unui nou tip de particulă exotică pe care l-au denumit "picătura cuantică" sau dropleton. Dropletonul are un comportament întrucâtva asemănător unei picături de apă, dar este de fapt o cvasiparticulă - o amalgamare a unor particule mai mici. Această descoperire ar putea fi utilă în domeniul nanotehnologiilor, în special în realizarea dispozitivelor optoelectronice - aşa cum sunt laserele semiconductoare folosite în cadrul player-elor Blu-ray. Descoperirea este cu atât mai interesantă şi mai greu de realizat cu cât această picătură cuantică are o perioadă de viaţă foarte scurtă. În cadrul experimentului care a dus la descoperirea sa a fost folosit un laser ultra-rapid, capabil să emită aproximativ 100 de milioane de pulsuri pe secundă, iar picătura cuantică a apărut pentru un interval de timp de doar 0,000000025 secunde. Şi totuşi acest interval de timp infinitezimal este suficient de lung pentru a putea fi studiat modul în care lumina interacţionează cu anumite tipuri de materie. Un alt exemplu de cvasiparticulă, descoperită mai demult, este excitonul - o pereche bizară formată dintr-un electron şi "o gaură" - un loc în structura energetică a unui material în care ar putea să se afle un alt electron, dar nu se află. Picătura cuantică este formată din aproximativ cinci electroni şi cinci astfel de găuri. Ea posedă o parte din caracteristicile lichidelor, cum ar fi faptul că produce unde sau microvaluri.

Modalitate de stocare a energiei solare la nivel molecular, pentru oricât de mult timp
În a doua jumătate a lunii aprilie, o echipă de oameni de ştiinţă de la Institutul Tehnologic din Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology - MIT) şi de la Universitatea Harvard a descoperit o modalitate de a stoca energie solară, sub formă de energie calorică, la nivel microscopic, în nişte molecule ce ar putea fi apoi folosite pentru a încălzi locuinţe, pentru a încălzi apa sau pentru a găti. Mai mult decât atât, aceste molecule pot stoca energia oricât de mult timp şi pot fi refolosite la nesfârşit, fără a emite deloc gaze cu efect de seră. Din păcate, cercetătorii nu au reuşit încă să construiască încă un astfel de dispozitiv capabil să fie folosit perpetuu pentru încălzire, dar au reuşit să demonstreze, în condiţii de laborator, viabilitatea unui fenomen fizic denumit "fotocomutare". Astfel, moleculele 'fotocomutatoare' expuse la lumină solară vor absorbi energie şi vor trece de la o anumită configuraţie la alta, rămânând stabile pentru foarte lungi perioade de timp. Pentru a elibera energia înmagazinată de aceste molecule este suficient să le expui la o cantitate mică de lumină, căldură sau electricitate.

Model realist 3D al Universului
La începutul lunii mai o echipă de oameni de ştiinţă de la Centrul pentru Astrofizică MIT/Harvard-Smithsonian şi de la Institutul Heidelberg pentru Studii Teoretice din Germania a creat primul model realist 3D al Universului, capabil să recreeze 13 miliarde de ani de evoluţie cosmică şi reprezentând, într-un fel, cel mai apropiat concept de "maşină a timpului" de care dispunem în afara propriei memorii. Această simulare a Universului poartă denumirea de 'Illustris' şi reproduce Universul ca pe un cub cu fiecare latură de câte 350 de milioane de ani lumină, la o rezoluţie fără precedent. Acest model virtual al Universului este construit 3D folosindu-se 12 miliarde de pixeli şi include atât materia ordinară, cât şi materia întunecată. În cadrul acestui model sunt prezente şi galaxiile eliptice şi spiralate - corpuri cosmice care, din cauza inadvertenţelor matematice şi a modelelor fizice incomplete, nu au putut fi redate la un asemenea nivel de detaliu în simulările anterioare ale Universului. De asemenea, acest nou model descrie mai bine momentele de formare a stelelor, exploziile de supernove şi găurile negre supermasive din centrul aglomerărilor galactice.

Cercetătorii americani au prezentat un material ce suportă o sarcină de 160.000 de ori mai mare decât greutatea sa
Cercetătorii de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) şi de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) din SUA au dezvoltat un material cu aceeaşi greutate şi densitate a unui aerogel ('fum îngheţat') însă cu o rigiditate de 10.000 de ori mai mare. Acest material ar putea avea un profund impact în industria aerospaţială şi auto - la fabricarea unor piese şi componente pentru avioane, automobile şi vehicule spaţiale - şi în alte domenii în care este nevoie de materiale uşoare, cu rigiditate foarte mare şi rezistenţă înaltă.

Comportamentul "particulei lui Dumnezeu", evidenţiat în urma analizei datelor obţinute la CERN
Fizicienii de la CERN au anunţat la sfârşitul lunii iunie descoperirea unor noi date despre celebra "particulă a lui Dumnezeu", bosonul lui Higgs. Analiza datelor adunate după experimentele derulate în cadrul celui mai mare accelerator de particule din lume, Large Hadron Collider (LHC) - din cadrul CERN - răspunde unor întrebări cu privire la modul în care se comportă această particulă. Existenţa bosonului lui Higgs a fost teoretizată în anii '60 drept o particulă subatomică cu proprietatea de a conferi masă tuturor celorlalte particule. Mai simplu spus, dacă bosonul lui Higgs nu ar fi existat, nu ar fi putut exista nici materie în forma pe care o cunoaşte ştiinţa în prezent. Analiza unui volum impresionant de date rezultat din înregistrarea coliziunilor dintre protoni la viteze apropiate de cea a luminii, în cadrul LHC, demonstrează că acest boson se descompune, exact cum prevede modelul teoretic, într-un grup de subparticule denumite fermioni, fenomen care corespunde Modelului Standard din fizică. Clasa fermionilor include particule de materie cum ar fi quarcii (care formează protonii) şi leptonii (categorie din care fac parte electronii). În prezent, cel mai mare accelerator de particule din lume este oprit pentru lucrări de modernizare, dar fizicienii examinează încă uriaşul volum de date obţinut în urma experimentelor care s-au încheiat.

Oamenii de ştiinţă au reuşit să observe neutroni în stare de superpoziţie cuantică
O echipă de oameni de ştiinţă de la Universitatea Tehnică din Viena a reuşit să observe neutroni în stare de superpoziţie cuantică, neutroni independenţi de magnetismul caracteristic acestor particule subatomice, în urma unei serii de experimente care ar putea duce şi la obţinerea de neutroni fără alte proprietăţi specifice, cum ar fi masa sau sarcina electrică, conform unui material publicat la sfârşitul lunii iulie. Cercetătorii au pornit de la neutroni, particule aflate în nucleul atomilor diferitelor elemente. Particulele încărcate electric, aşa cum sunt protonii şi electronii sunt de obicei singurele care dispun şi de magnetism propriu, însă neutronii, care sunt neutri din punct de vedere al sarcinii electrice, dispun şi ei de magnetism pentru că sunt formaţi din subparticule cu sarcină electrică, denumite quarcuri. Deşi sarcinile electrice ale quarcurilor care compun un neutron se anulează reciproc, fapt care îi conferă neutronului sarcina neutră, totuşi aceste particule atomice păstrează un mic nivel de magnetism. Această descoperire ar putea fi aplicată în domeniul sistemelor de măsură de înaltă precizie, care sunt foarte vulnerabile la perturbări. Spre exemplu, pentru dispozitive avansate bazate pe principii ale fizicii cuantice - aşa cum ar fi computerele cuantice care, în principiu, vor putea să realizeze mai multe calcule simultan decât numărul atomilor din Univers! - dar care sunt vulnerabile la cele mai mici perturbări.

Oamenii de ştiinţă au descoperit o particulă care este propria sa antiparticulă
După zeci de ani de căutări şi studii în domeniul fizicii cuantice, o echipă de fizicieni de la Universitatea Princeton a anunţat, la începutul lunii octombrie, descoperirea unei particule bizare care se comportă deopotrivă ca materie şi ca antimaterie, conform unui material publicat în revista 'Science'. Această descoperire reprezintă un important pas înainte în domeniul fizicii particulelor şi ar putea avea aplicabilitate practică pentru o eventuală generaţie viitoare de puternice calculatoare cuantice. Fizicianul italian Ettore Majorana a fost primul om de ştiinţă care a emis, în 1937, ipoteza că ar putea exista o particulă - ce a primit denumirea de fermionul lui Majorana - care să fie propria sa antiparticulă, iar de atunci comunitatea ştiinţifică a tot căutat această particulă. Cercetătorii de la Princeton au plasat un lanţ de atomi de fier pe un suport superconductor din plumb. Ei au răcit apoi aceste materiale până la -271 grade Celsius (cu doar 2 grade deasupra lui 0 absolut - punctul de pe scara termodinamică la care energia termică a unui sistem îşi atinge minimul, în sensul că nu se mai poate extrage căldură din respectivul sistem). Ei au urmărit acest sistem experimental prin intermediul unui microscop foarte puternic. Astfel s-a detectat un semnal electric neutru la capătul lanţului din atomi de fier, semnal considerat a reprezenta "semnătura" ipoteticului fermion al lui Majorana. Oamenii de ştiinţă susţin că proprietăţile observate la acest fermion îl transformă într-un excelent candidat pentru obţinerea unor biţi cuantici pentru sistemele de calcul ultraperformante ale viitorului.

Descoperire de excepţie la CERN: observarea a două particule din familia barionilor
Organizaţia Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN) a anunţat la jumătatea lunii noiembrie o descoperire ştiinţifică de excepţie: observarea a două particule din familia barionilor - cunoscute sub denumirea de Xi_b'- şi, respectiv, Xi_b* -, a căror existenţă fusese anticipată teoretic, dar care nu au putut fi văzute până în prezent. Noile particule sunt barioni alcătuiţi din trei quarcuri legate între ele prin forţe puternice. O particulă din aceeaşi familie, Xi_b*0, a fost vizualizată la CERN în 2012. Quarcurile sunt particule elementare, componente ale altor particula subatomice, precum protonul şi netronul, care nu există sub formă izolată. Actuala descoperire este rezultatul experimentului LHCb, care încearcă să explice de ce universul în care trăim pare să fie alcătuit în totalitate din materie şi nu din antimaterie, precizează CERN pe pagina sa de internet. Cercetătorii au studiat nu numai masa acestor particule, ci şi rata producerii lor, gradul lor de instabilitate şi alte detalii ale degradării lor. Datele obţinute confirmă predicţiile făcute pe baza teoriei cuanticii cromodinamice (Quantum Chromodynamics - QCD).AGERPRES/(AS - autor: Codruţ Bălu, editor: Mariana Ionescu)