Το πείραμα Muon g-2 βρίσκει ισχυρές ενδείξεις για νέα φυσική. First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics

Τα πρώτα αποτελέσματα από το πείραμα Muon g-2 στο Fermilab κλονίζουν το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων! First results from the Muon g-2 experiment at Fermilab have strengthened evidence of new physics. The centerpiece of the experiment is a 50-foot-diameter superconducting magnetic storage ring, which sits in its detector hall amidst electronics racks, the muon beamline, and other equipment. This impressive experiment operates at negative 450 degrees Fahrenheit and studies the precession (or wobble) of muons as they travel through the magnetic field. Photo: Reidar Hahn, Fermilab

Τα πρώτα αποτελέσματα του πειράματος Muon g-2 στο Fermilab επιβεβαιώνουν το αποτέλεσμα του πειράματος που πραγματοποιήθηκε στο Brookhaven National Lab πριν από δύο δεκαετίες. Τα πειράματα αυτά μετρούν την ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου βρίσκοντας μια τιμή που διαφέρει από την τιμή που υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την μέχρι σήμερα αποδεκτή θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων.

The muon is a marvelous and fascinating particle. This infographic lays out some of the particle's basic stats alongside fun facts. Artist / Creator: Diana Brandonisio. Credit: Fermilab

Το μιόνιο (συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα μ – αγγλική ονομασία muon) είναι στοιχειώδες σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο, με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο -1 και ιδιοστροφορμή (spin) 1⁄2. Μαζί με το ηλεκτρόνιο, το ταυ λεπτόνιο, και τα τρία νετρίνα, είναι ταξινομημένο ως λεπτόνιο. Είναι ένα ασταθές υποατομικό σωματίδιο και έχει τη δεύτερη πιο μακροχρόνια μέση διάρκεια ζωής (2.2 µs), μετά από το νετρόνιο (~15 λ.). Ο συνήθης τρόπος διάσπασής του είναι:

Όπως όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, το μιόνιο έχει ένα αντίστοιχο αντισωμάτιο αντίθετου φορτίου αλλά ίσης μάζας και spin: το αντιμιόνιο (επίσης αποκαλούμενο θετικό μιόνιο). Τα μιόνια συμβολίζονται με μ− και τα αντιμιόνια με μ+. Τα μιόνια αναφέρονταν μερικές φορές ως μι-μεσόνια στο παρελθόν, παρόλο που δεν κατατάσσονται ως μεσόνια από τους σύγχρονους φυσικούς που ασχολούνται με τα στοιχειώδη σωματίδια.

Thousands of people welcomed the Muon g-2 magnet to Fermilab in 2013. Data from the experiment’s first run has yielded a result with unprecedented precision. Data from four additional experimental runs will reveal the muon’s behavior in even more detail. Photo: Reidar Hahn, Fermilab

Το πείραμα Muon g-2 βρίσκεται σε εξέλιξη στο εργαστήριο Fermi National Accelerator στις ΗΠΑ. Είναι στην πραγματικότητα μια συνέχεια, ένα πείραμα που έχει σχεδιαστεί για να επανεξετάσει μια μικρή διαφορά μεταξύ της θεωρίας και των αποτελεσμάτων ενός προηγούμενου πειράματος στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, το οποίο ονομαζόταν επίσης Muon g-2. Η ασυμφωνία θα μπορούσε να είναι σημάδι ότι υπάρχει νέα φυσική. Οι επιστήμονες θέλουν να μάθουν αν επιβεβαιώνεται η μέτρηση ή αν ήταν μια άνευ ουσίας στατιστική διακύμανση.

Η θεωρητική τιμή που είναι αποδεκτή για την τιμή της ανώμαλης μαγνητικής ροπής του μιονίου είναι: 0.00116591810(43).

The first result from the Muon g-2 experiment at Fermilab confirms the result from the experiment performed at Brookhaven National Lab two decades ago. Together, the two results show strong evidence that muons diverge from the Standard Model prediction. Image: Ryan Postel, Fermilab/Muon g-2 collaboration

Η νέα πειραματική τιμή που ανακοίνωσε το πείραμα Muon g-2 είναι: 0.00116592061(41).

The first results from the Muon g-2 experiment hosted at Fermilab show fundamental particles called muons behaving in a way not predicted by the Standard Model of particle physics. Announced on April 7, 2021, these results confirm and strengthen the findings of an earlier experiment of the same name performed at Brookhaven National Laboratory. Combined, the two results show strong evidence that our best theoretical model of the subatomic world is incomplete. One potential explanation would be the existence of undiscovered particles or forces. This video explains what a muon is, how the Muon g-2 experiment works, and the significance of this result. Credit:
Fermilab

Συνδυάζοντας τα αποτελέσματα των Fermilab και Brookhaven δείχνουν μια διαφορά με τη θεωρία στα 4,2σ, λίγο μικρότερη από τα 5σ που απαιτείται ώστε να ισχυριστεί κάποιος νέα ανακάλυψη. Πάντως η πιθανότητα τα αποτελέσματα να είναι στατιστική διακύμανση είναι περίπου 1 στα 40.000. [Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm]. Μια πρόταση που θα μπορούσε να κρατήσει ζωντανό το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων δημοσιεύεται κατά σύμπτωση (;) στο περιοδικό Nature με τίτλο «Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD».

Ένα κόμικ για το πείραμα Muon g-2:

Ο Jorge Cham, γνωστός ως PHD Comics, παρουσιάζει την ιστορία της ανωμαλίας g-2 του μιoνίου ως κόμικ.

Πηγές: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141801 - https://www.nature.com/articles/s41586-021-03418-1 - https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/ - https://physicsgg.me/2021/04/07/

 

 

Λύθηκε το μυστήριο για τις μαύρες αράχνες του Άρη. Researchers Tackle the Enigmatic “Spiders” From Mars

Βρετανοί επιστήμονες υποστηρίζουν ότι βρήκαν την απάντηση για την παρουσία των εντυπωσιακών σκουρόχρωμων γεωλογικών σχηματισμών στον Νότιο Πόλο του Άρη. Οι μυστηριώδεις «αράχνες» στην επιφάνεια του Άρη είναι όπως φαίνεται αποτέλεσμα της εξάχνισης του πάγου στον πλανήτη. Researchers at Trinity College Dublin have been shedding light on the enigmatic “spiders from Mars,” providing the first physical evidence that these unique features on the planet’s surface can be formed by the sublimation of CO2 ice. An image from NASA’s Mars Reconnaissance Orbiter, acquired May 13, 2018 during winter at the South Pole of Mars, shows a carbon dioxide ice cap covering the region and as the sun returns in the spring, “spiders” begin to emerge from the landscape. Credit: NASA

Τα τελευταία 15 χρόνια η ανθρωπότητα κατάφερε να στείλει στον Άρη έναν στόλο από δορυφόρους που τέθηκαν σε τροχιά γύρω από τον πλανήτη. Οι δορυφόροι χαρτογραφούν τον Άρη και πραγματοποιούν σειρά μελετών που αποκαλύπτουν τα χαρακτηριστικά και τις γεωατμοσφαιρικές του συνθήκες.

Μια από τις πρώτες κιόλας ανακαλύψεις των δορυφόρων που προκάλεσαν εντύπωση ήταν μια σειρά από σκουρόχρωμοι γεωλογικοί σχηματισμοί στον Νότιο Πόλο του Άρη. Οι επιστήμονες ονόμασαν αυτές τις γεωλογικές δομές «αραχνομορφές» αλλά τελικά έγιναν γνωστές ως «οι αράχνες του Άρη».

Όλα αυτά τα χρόνια η επιστημονική κοινότητα προσπαθεί να εξηγήσει την ύπαρξη των… αραχνών διατυπώνοντας διάφορες θεωρίες και ιδέες χωρίς ωστόσο κάποια από αυτές να έχει προχωρήσει στο επόμενο στάδιο της απόδειξης και επιβεβαίωσης τους.

Έχει διαπιστωθεί ότι η ατμόσφαιρα του Άρη αποτελείται κατά 95% από διοξείδιο του άνθρακα και τόσο το χιόνι όσο και ο παγετός στους πόλους του πλανήτη αποτελούνται από διοξείδιο του άνθρακα. Μια από τις θεωρίες που έχουν διατυπωθεί αναφέρει ότι την περίοδο της άνοιξης το ηλιακό φως διαπερνά το ημιδιαφανές στρώμα χιονιού και θερμαίνει το έδαφος κάτω από αυτό.

Η θερμότητα προκαλεί την εξάχνιση του πάγου που υπάρχει στο υπέδαφος. Τα αέρια που δημιουργούνται πιέζουν το έδαφος προκαλώντας ρωγμές στο έδαφος μέσα από τις οποίες δραπετεύουν «σμιλεύοντας» την επιφάνεια με τρόπο τέτοιο ώστε να δημιουργούνται τελικά οι εντυπωσιακοί σχηματισμοί.

The Mars simulation chamber. Credit: Trinity College Dublin

Στα εργαστήρια του Open University στην Βρετανία έχει κατασκευαστεί μια συσκευή που ονομάζεται Θάλαμος Προσομοίωσης του Άρη. Με δημοσίευση τους στην επιθεώρηση «Scientific Reports» ερευνητές του πανεπιστημίου αναφέρουν ότι πραγματοποίησαν πειράματα με την συσκευή αυτή τα οποία επιβεβαιώνουν την θεωρία της εξάχνισης.

Αν η μελέτη αποδειχθεί αξιόπιστη οι επιστήμονες θα έχουν προσθέσει ένα ακόμη κομμάτι στο παζλ των συνθηκών και των φαινομένων που υπάρχουν στον Κόκκινο Πλανήτη. Κάθε νέα γνώση για τον Άρη εκτός των άλλων βοηθά στην καλύτερη οργάνωση των επανδρωμένων αποστολών που σχεδιάζονται να γίνουν εκεί αλλά και γενικότερα την προσπάθεια του ανθρώπου να ζήσει εκεί.

Πηγές: “The formation of araneiforms by carbon dioxide venting and vigorous sublimation dynamics under martian atmospheric pressure” by Lauren Mc Keown, J. N. McElwaine, M. C. Bourke, M. E. Sylvest and M. R. Patel, 19 March 2021, Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-021-82763-7 - https://scitechdaily.com/researchers-tackle-the-enigmatic-spiders-from-mars/ - https://www.naftemporiki.gr/story/1710933/luthike-to-mustirio-gia-tis-maures-araxnes-tou-ari

 

 

Πώς η πρόσκρουση που εξόντωσε τους δεινόσαυρους γέννησε τον Αμαζόνιο. How the Giant Asteroid That Wiped Out the Dinosaurs Gave Rise to Modern Rainforests

O αστεροειδής ή κομήτης που έπεσε στην χερσόνησο Γιουκατάν του Μεξικού οδήγησε στην εξαφάνιση τα δύο τρίτα των φυτών και των ζώων όλου του πλανήτη. Κι όμως, αυτό το δραματικό συμβάν φαίνεται ότι γέννησε το μεγαλύτερο τροπικό δάσος του κόσμου. About 66 million years ago, a huge asteroid crashed into what is now the Yucatan, plunging the Earth into darkness. The impact transformed tropical rainforests, giving rise to the reign of flowers.

Πριν από την πρόσκρουση, τα δάση της Κεντρικής και Νότιας Αμερικής κυριαρχούνταν από γυμνόσπερμα φυτά, αποκαλύπτει μελέτη που δημοσιεύεται στο Science.

From forests filled with ferns to forests filled with flowers: Plants began to produce attractive flowers containing sugary rewards for insects who carry pollen grains (basically the male sperm of the plants) to other flowers, helping plants reproduce. This strategy was so successful that flowering plants took over tropical forests, and the world. Credit: Hace Tiempo. Un viaje paleontologico ilustrado por Colombia. Instituto Alexander von Humboldt e Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. Banco de Imágenes (BIA), Instituto Alexander von Humboldt.

Περίπου δέκα εκατομμύρια χρόνια μετά το καταστροφικό συμβάν, τα γυμνόσπερμα είχαν δώσει τη θέση τους σε αγγειόσπερμα και τα δάση της περιοχής είχαν ήδη πάρει τη μορφή της ζούγκλας που γνωρίζουμε σήμερα, αναφέρουν ερευνητές του Ινστιτούτου Τροπικής Έρευνας του ιδρύματος Smithsonian.

Γυμνόσπερμα είναι τα φυτά που δεν παράγουν πραγματικά άνθη, σε αντίθεση με τα λεγόμενα αγγειόσπερμα φυτά, τα οποία εμφανίστηκαν περίπου 60 εκατομμύρια χρόνια πριν το τέλος της εποχής των δεινοσαύρων.

125 to 100 million years ago, during the reign of the dinosaurs, much of what is now Colombia was covered in forests dominated by conifers and ferns. Credit: Hace Tiempo. Un viaje paleontologico ilustrado por Colombia. Instituto Alexander von Humboldt e Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. Banco de Imágenes (BIA), Instituto Alexander von Humboldt.

Οι φτέρες ήταν σημαντικό μέρος της δασικής χλωρίδας πριν από το χτύπημα, έδειξε η μελέτη. Τα μεγαλύτερα δέντρα ήταν κωνοφόρα, μεταξύ άλλων συγγενείς της αροκάριας, τα οποία όμως είχαν μικρή πυκνότητα και άφηναν μεγάλα ξέφωτα ανάμεσά τους.

Fossils of leaves (shown) and pollen from across Colombia reveal how the tropical rainforests shifted due to the extinction event at the end of the Cretaceous. Before the event, the forests were a sunny, open-canopied mix of conifers, ferns and flowering trees (examples in the bottom half of this image). After the event, the forests were dominated by flowering trees, and developed a thick, heavy, light-blocking canopy (examples in the top half of this image). CARVALHO ET AL/SCIENCE 2021

«Η ομάδα μας εξέτασε πάνω από 50.000 απολιθώματα γυρεόκοκκων και πάνω από 6.000 απολιθώματα φύλλων πριν και μετά την πρόσκρουση» λέει η δρ Μόνικα Καλβάλο, επικεφαλής της μελέτης.

After the asteroid impact in Mexico, almost half of the plants existing before the impact became extinct. After the impact, flowering plants came to dominate modern tropical forests.. Credit: Hace Tiempo. Un viaje paleontologico ilustrado por Colombia. Instituto Alexander von Humboldt e Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. Banco de Imágenes (BIA), Instituto Alexander von Humboldt.

H ανάλυση έδειξε ότι η πρόσκρουση στο Τσιξουλούμπ του σημερινού Μεξικού εξαφάνισε το 45% των διαφορετικών ειδών της χλωρίδας στην περιοχή που σήμερα ονομάζουμε Βενεζουέλα.

Χρειάστηκαν περίπου 10 εκατομμύρια χρόνια για να ανακάμψει η φυτική βιοποικιλότητα της Κεντρικής και Νότιας Αμερικής, λένε οι ερευνητές.

Modern Bogotá is an Andean city at almost 3000m (9000 feet) above sea level. But in the Paleocene (the 10-million-year period following the asteroid impact) it was covered by tropical forest. Insect damage on fossil leaves collected near Bogotá tells researchers that after the impact, insects that picky eaters (insects that only ate a certain species) became less common, replaced by insects with more broad taste that could eat many different plants. Credit: Hace Tiempo. Un viaje paleontologico ilustrado por Colombia. Instituto Alexander von Humboldt e Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. Banco de Imágenes (BIA), Instituto Alexander von Humboldt.

Τη θέση των κωνωφόρων είχαν πάρει πυκνόφυτα αγγειόσπερμα δέντρα που άφηναν ελάχιστο φως να φτάσει στο επίπεδο του εδάφους, όπως εξάλλου συμβαίνει και σήμερα στα τροπικά υγρά δάση. Τα φυτά της οικογένειας του φασολιού, τα κυαμοειδή, ήταν ανύπαρκτα πριν από την πρόσκρουση, όμως μερικά εκατομμύρια χρόνια αργότερα είχαν γίνει η κυρίαρχη οικογένεια της περιοχής, όπως ισχύει σήμερα στα περισσότερα σύγχρονα υγρά τροπικά δάση.

Τα κυαμοειδή άλλαξαν ριζικά το δάσος και τον κύκλο του αζώτου, καθώς στις ρίζες τους φιλοξενούν βακτήρια που απορροφούν άζωτο από τον αέρα και τον μετατρέπουν σε ενώσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθεί από τα φυτά.

From 66 to 100 million years ago, flowering plants began to diversify in sea level swamps and lowland forests, where the Andes mountains are today. Credit: Hace Tiempo. Un viaje paleontologico ilustrado por Colombia. Instituto Alexander von Humboldt e Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. Banco de Imágenes (BIA), Instituto Alexander von Humboldt.

Δεδομένου ότι όλα τα φυτά διαπνέουν, δηλαδή απελεθερώνουν υδρατμούς, η νέα, πυκνή βλάστηση της περιοχής αύξησε και την υγρασία του αέρα. Σήμερα, το δάσος του Αμαζονίου παράγει αρκετό υδρατμό για να προκαλεί βροχές και να κάνει το κλίμα πολύ πιο υγρό από ό,τι θα ήταν αν δεν υπήρχε πυκνή βλάστηση.

Fossil leaves from the collection used for this study. Heavily insect-fed spurge leaves from the 58-60 Myr-old Neotropical rainforests of the Bogotá Formation in Colombia. Today, the spurge family is one of the most abundant and diverse in lowland tropical rainforests. Credit: from Monica Carvalho.

Η δραστική αλλαγή της σύστασης του δάσους έφερε βέβαια μεγάλες αλλαγές και για τα ζώα, όπως μαρτυρούν οι μικροσκοπικές δαγκωματιές που παρατήρησαν οι ερευνητές στα απολιθώματα φύλλων.

«Πριν από την πρόσκρουση, διαφορετικά είδη φυτών έφεραν και διαφορετικά είδη βλαβών», καθώς κάθε έντομο ή άλλο ασπόνδυλο ειδικευόταν στην κατανάλωση συγκεκριμένων ειδών, εξηγεί η Καλβάλο. «Μετά την πρόσκρουση, βρήκαμε τα ίδια είδη βλαβών σε όλα τα φυτά», κάτι που σημαίνει ότι τα φυτοφάγα ζώα είχαν διευρύνει το διαιτολόγιό τους.

Το μεγάλο ερώτημα που προκύπτει από τη μελέτη είναι ο μηχανισμός μέσω του οποίου η πρόσκρουση του Τσιξουλούμπ άλλαξε τόσο δραματικά το οικοσύστημα.

Οι ερευνητές προτείνουν τρεις θεωρίες που δείχνουν εξίσου πιθανές:

Short zoom interview clip with first author and post-doctoral fellow at the Smithsonian Tropical Research Institute and the Universidad del Rosario in Colombia. She answers the question: What was the most exciting part of the project for you? Credit: Ana Endara, STRI

Μια πρώτη ιδέα είναι ότι οι ογκώδεις φυτοφάγοι δεινόσαυροι πατούσαν και βοσκούσαν τα φυτά και εμπόδιζαν έτσι την ανάπτυξη δασών, όπως κάνουν και σήμερα οι ελέφαντες της αφρικανικής σαβάνας.

Μια δεύτερη εξήγηση είναι ότι τα σύννεφα σκόνης που εκτινάχθηκαν στο αέρα κατά την πρόσκρουση εμπλούτισαν το έδαφος των τροπικών σε θρεπτικά συστατικά, ενθαρρύνοντας έτσι την εξάπλωση των ταχέως αναπτυσσόμενων αγγειόσπερμων φυτών.

Και μια τρίτη θεωρία θέλει την επιλεκτική εξαφάνιση των κωνοφόρων να άφησε ελεύθερο το πεδίο για την κυριαρχία των ανθοφόρων φυτών.

Animation based on the @ScienceMagazine publication: Carvalho M.R., Jaramillo C., de la Parra F., Caballero-Rodríguez D., Herrera F., Wing S., Turner B.L., D’Apolito C., Romero-Báez M., Narváez P., Martínez C., Gutierrez M., Labandeira C., Bayona G., Rueda M., Paez-Reyes M., Cardenas D., Duque A., Crowley J.L., Santos C., Silvestro D. 2021. Extinction at the end-Cretaceous and the origin of modern Neotropical rainforests. Science. DOI: 10.1126/science.abf1969. DIRECTED BY: Mónica Carvalho

Οι ερευνητές τονίζουν ότι οι τρεις θεωρίες δεν είναι αλληλοαποκλειόμενες και δεν αποκλείεται να έδρασαν από κοινού.

Medellín, Colombia, trace back to the extinction event at the end of the Cretaceous Epoch, 66 million years ago. CHRISTIAN DAVID GARCIA/EYEEM/GETTY IMAGES

Όποια κι αν είναι η εξήγηση, το συμπέρασμα είναι ένα: χωρίς το καταστροφικό συμβάν που εξόντωσε τους δεινόσαυρος, ο Αμαζόνιος όπως τον γνωρίζουμε πιθανότατα δεν θα υπήρχε.

Πηγές: “Extinction at the end-Cretaceous and the origin of modern Neotropical rainforests” by Mónica R. Carvalho, Carlos Jaramillo, Felipe de la Parra, Dayenari Caballero-Rodríguez, Fabiany Herrera, Scott Wing, Benjamin L. Turner, Carlos D’Apolito, Millerlandy Romero-Báez, Paula Narváez, Camila Martínez, Mauricio Gutierrez, Conrad Labandeira, German Bayona, Milton Rueda, Manuel Paez-Reyes, Dairon Cárdenas, Álvaro Duque, James L. Crowley, Carlos Santos and Daniele Silvestro, 2 April 2021, Science. DOI: 10.1126/science.abf1969 - https://scitechdaily.com/how-the-giant-asteroid-that-wiped-out-the-dinosaurs-gave-rise-to-modern-rainforests/ - https://www.smithsonianmag.com/science-nature/how-dinosaur-killing-asteroid-spurred-evolution-modern-rainforest-180977390/ - https://www.in.gr/2021/04/05/b-science/episthmes/pos-proskrousi-pou-eksontose-tous-deinosayrous-gennise-ton-amazonio/

 

 

 

Οι αρχέγονες δομές του νεογέννητου σύμπαντος. The very first structures in the Universe

Οι αστροφυσικοί προσομοιώνουν το αρχέγονο σύμπαν. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν την ανάπτυξη μικροσκοπικών, εξαιρετικά πυκνών δομών αμέσως μετά την εκθετική διαστολή του νεογέννητου σύμπαντος (η φάση αυτή ονομάζεται πληθωρισμός). Μεταξύ της αρχικής και τελικής κατάστασης της προσομοίωσης (πάνω αριστερά και δεξιά αντίστοιχα), η περιοχή που εμφανίζεται έχει διασταλεί δέκα εκατομμύρια φορές από τον αρχικό της όγκο, αλλά εξακολουθεί να είναι κατά πολύ μικρότερη από το μέγεθος ενός πρωτονίου. Το μεγεθυμένο σύμπλεγμα κάτω αριστερά που προέκυψε περίπου 10^-24 δευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη, αντιστοιχεί σε μάζα περίπου 20 κιλών και ακτίνα της τάξης των 10^-20 μέτρων. The results of the simulation show the growth of tiny, extremely dense structures very soon after the inflation phase of the very early universe. Between the initial and final states in the simulation (top left and right respectively), the area shown has expanded to ten million times its initial volume, but is still many times smaller than the interior of a proton. The enlarged clump at the bottom left would have a mass of about 20kg. Photo: Jens Niemeyer, University of Göttingen

Οι πρώτες στιγμές του σύμπαντος δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα, μπορούν όμως να ανακατασκευαστούν μαθηματικά. Οι φυσικοί από τα πανεπιστήμια Γκαίτινγκεν και Ώκλαντ εκτελώντας σύνθετες προσομοιώσεις σε υπολογιστές κατάφεραν να αναπαράγουν την αρχέγονη δομή του σύμπαντος. Ανακάλυψαν ότι ένα περίπλοκο δίκτυο δομών μπορεί να σχηματιστεί στο πρώτο τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Η συμπεριφορά αυτών των δομών μιμείται την κατανομή των γαλαξιών στο σημερινό σύμπαν. Ωστόσο, σε αντίθεση με το σήμερα, αυτές οι πρώιμες δομές είναι απίστευτα μικροσκοπικές. Τυπικά συμπλέγματα αυτών των δομών έχουν μάζες λίγων γραμμαρίων και χωρούν σε όγκους πολύ μικρότερους από τα σημερινά στοιχειώδη σωματίδια. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε από τους Benedikt Eggemeier, Jens C. Niemeyer, Richard Easther και τα αποτελέσματα της μελέτης τους δημοσιεύθηκαν  στο περιοδικό Physical Review D με τίτλο «Formation of inflaton halos after inflation».

Professor Jens Niemeyer. Photo: University of Göttingen

Οι ερευνητές κατάφεραν να προσομοιώσουν την εξέλιξη των περιοχών υψηλότερης πυκνότητας που συγκρατούνται από τη δική τους βαρύτητα. «Ο φυσικός χώρος που αντιπροσωπεύει η προσομοίωσή μας θα χωρούσε εκατομμύρια φορές σε ένα πρωτόνιο», λέει ο καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Γκαίτινγκεν Jens Niemeyer. «Είναι πιθανώς η μεγαλύτερη προσομοίωση της μικρότερης περιοχής του σύμπαντος που έχει πραγματοποιηθεί μέχρι τώρα.» Αυτές οι προσομοιώσεις οδηγούν σε ακριβέστερες προβλέψεις για τις ιδιότητες αυτών των αρχέγονων δομών του σύμπαντος.

The first moments of the Universe can be reconstructed mathematically even though they cannot be observed directly. Physicists have greatly improved the ability of complex computer simulations to describe this moment, discovering that a complex network of structures can form in the first trillionth of a second after the Big Bang. These microscopic clumps have masses of only a few grams and fit into volumes much smaller than particles. Shown here, one of the dense clumps of inflatons that emerged during the inflation phase of the Big Bang, in the infant universe. (Image credit: Jens Niemeyer/University of Göttingen)

Αν και οι δομές που προσομοιώνονται στον υπολογιστή είναι πολύ βραχύβιες και τελικά θα «εξατμιστούν» στα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια, ίχνη αυτής της ακραίας πρώιμης φάσης μπορεί να είναι ανιχνεύσιμες σε μελλοντικά πειράματα. «Ο σχηματισμός τέτοιων δομών, καθώς και οι κινήσεις και οι αλληλεπιδράσεις τους, πρέπει να έχουν προκαλέσει έναν θόρυβο υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων», λέει ο Benedikt Eggemeier. «Με τη βοήθεια των προσομοιώσεών μας, μπορούμε να υπολογίσουμε την ισχύ αυτού του σήματος βαρυτικών κυμάτων, το οποίο μπορεί να είναι μετρήσιμο (;) στο μέλλον.» Επίσης δεν είναι απίθανο να σχηματίζονται μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, αν αυτές οι δομές υποστούν κατάρρευση, οι οποίες θα αποτελούν σήμερα μέρος της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης στο σύμπαν.

Πηγές: Benedikt Eggemeier, Jens C. Niemeyer, Richard Easther. Formation of inflaton halos after inflation. Physical Review D, 2021; 103 (6) DOI: 10.1103/PhysRevD.103.063525 - https://www.uni-goettingen.de/en/3240.html?id=6208 - https://physicsgg.me/2021/04/04/

 

 

Xenobot 2.0: Η πιο εξελιγμένη γενιά «ζωντανών ρομπότ» που δημιούργησαν ερευνητές. Scientists Create the Next Generation of Living Robots

Μία νέα γενιά ζωντανών ρομπότ Xenobot δημιούργησαν επιστήμονες στις ΗΠΑ. Πρόκειται για μικροσκοπικές μορφές ζωής που αυτοσυναρμολογούν ένα σώμα από απλά κύτταρα βατράχου, δεν χρειάζονται μύες για να κινηθούν και διαθέτουν δυνατότητα μνήμης. Scientists up to create the next version of Xenobots - tiny biological robots that self-assemble, carry out tasks, and can repair themselves. Now they can move faster, and record information. Using a fluorescent protein, Xenobots record exposure to blue light, by turning green, (Source: Doug Blackiston)

Αυτές οι «κολεκτίβες» κυττάρων έχουν την ικανότητα να δουλεύουν μαζί σε σμήνη και στο μέλλον θα αναλαμβάνουν διάφορες δουλειές όπως π.χ. το καθάρισμα των μικροπλαστικών ή άλλων ρύπων και σκουπιδιών από την ξηρά και τη θάλασσα.

Πέρυσι, μία ομάδα βιολόγων και ειδικών στους υπολογιστές από τα πανεπιστήμια Ταφτς και Βερμόντ είχαν δημιουργήσει τα πρώτα Xenobot 1.0, μικροσκοπικές βιολογικές μηχανές από κύτταρα βατράχου που ήταν ικανά να κινούνται, να σπρώχνουν κάποιο φορτίο και να εμφανίζουν ομαδική συμπεριφορά σε σμήνη με άλλα παρόμοια ρομπότ. Φέτος, τα νέα Xenobot 2.0 είναι βελτιωμένα, καθώς κινούνται πιο γρήγορα, είναι ικανά να πλοηγηθούν σε διαφορετικά περιβάλλοντα και μπορούν να αυτοεπιδιορθωθούν εάν παρουσιάσουν κάποια βλάβη.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον καθηγητή Βιολογίας Μάικλ Λέβιν του Ταφτς, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό Ρομποτικής «Science Robotics», θεωρούν ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία έχει τρομερό μέλλον και γι' αυτό τα δύο συνεργαζόμενα αμερικανικά πανεπιστήμια μόλις δημιούργησαν το νέο Ινστιτούτο Οργανισμών Σχεδιασμένων από Υπολογιστή (ICDO), ώστε να δημιουργήσει ακόμη πιο εξελιγμένα ζωντανά ρομπότ.

Xenobots scurry about on cilia, and can work together in swarms. (Source: Doug Blackiston)

Τα Xenobot έχουν πάρει το όνομά τους από το είδος βατράχου Xenopus laevis, από τα έμβρυα του οποίου προέρχονται τα κύτταρά τους. Τα νέα ρομπότ της γενιάς 2.0 ζουν τρεις έως επτά ημέρες περισσότερο από την προηγούμενη γενιά 1.0, η οποία έφθανε έως τις επτά ημέρες. Το σχήμα τους είναι σφαιροειδές (με μικρές τριχοειδείς προεκβολές που λειτουργούν σαν «πόδια» ή «προπέλες» κίνησης) και το μέγεθός τους φθάνει το μισό χιλιοστό προς το παρόν, ενώ το σώμα τους είναι πλήρως βιοδιασπώμενο όταν «πεθαίνουν».

Προηγούμενες προσπάθειες δημιουργίας ζωντανών ρομπότ είχαν εστιάσει στον ασύρματο έλεγχο ζώων (π.χ. κατσαρίδων), κάτι όμως που εγείρει ζητήματα βιοηθικής. Τα Xenobot διαφέρουν επειδή είναι μορφές αυτοδημιούργητες μόνο από κύτταρα, δεν έχουν νευρώνες και δεν μπορούν να θεωρηθούν ζώα.

Scientists at Tufts University and the University of Vermont team up to create the next version of Xenobots – tiny biological robots that self-assemble, carry out tasks, and can repair themselves. Now they can move faster, and record information. Credit: Tufts University

Όμως, τι ακριβώς είναι; Έμβιοι οργανισμοί ή ρομπότ; Σε αυτό δεν υπάρχει σαφής απάντηση. Μάλλον, κάτι ενδιάμεσο.

Πηγές: Douglas Blackiston, Emma Lederer, Sam Kriegman, Simon Garnier, Joshua Bongard, Michael Levin. A cellular platform for the development of synthetic living machines. Science Robotics, 2021; 6 (52): eabf1571 DOI: 10.1126/scirobotics.abf1571 - https://now.tufts.edu/news-releases/scientists-create-next-generation-living-robots - https://www.insider.gr/eidiseis/kosmos/161500/xenobot-20-tin-epomeni-pio-exeligmeni-genia-zontanon-rompot-dimioyrgisan

 

 

Επιστήμονες δημιούργησαν κύτταρο που αναπτύσσεται και διαιρείται κανονικά. Scientists Create Simple Synthetic Cell That Grows and Divides Normally

Νέα ευρήματα ρίχνουν φως στους μηχανισμούς που καθορίζουν τις θεμελιώδεις διαδικασίες της ζωής. New findings shed light on mechanisms controlling the most basic processes of life. Credit: Copyright Emily Grace

Πριν από πέντε χρόνια επιστήμονες δημιούργησαν έναν μονοκύτταρο συνθετικό οργανισμό που, με μόλις 473 γονίδια, ήταν το απλούστερο γνωστό ζωντανό κύτταρο. Ωστόσο ο οργανισμός αυτός συμπεριφερόταν περίεργα όταν αναπτυσσόταν και διαιρείτο, παράγοντας κύτταρα με πολλά διαφορετικά σχήματα και μεγέθη.

Researchers have designed and synthesized a minimal bacterial genome, containing only the genes necessary for life. This material relates to a paper that appeared in the March 25, 2016, issue of Science, published by AAAS. The paper, by C.A. Hutchison III at J. Craig Venter Institute in La Jolla, Calif., and colleagues was titled, "Design and synthesis of a minimal bacterial genome." Credit: C. Bickel / Science (2016)

Επιστήμονες ήταν σε θέση να εντοπίσουν επτά γονίδια που μπορούν να προστεθούν ώστε να «δαμάσουν» αυτή την «άτακτη» φύση του κυττάρου, κάνοντάς τα να χωρίζονται τακτικά σε ομοιόμορφα κομμάτια. Το επίτευγμα αυτό, μια συνεργασία μεταξύ του J. Craig Venter Institute (JCVI), του National Institute of Standards and Technology (NIST) και του ΜΙΤ Center for Bits and Atoms, περιγράφεται στο Cell.

O εντοπισμός αυτών των γονιδίων αποτελεί σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση της δημιουργίας συνθετικών κυττάρων που κάνουν χρήσιμα πράγματα: Τέτοια κύτταρα θα μπορούσαν να λειτουργούν σαν μικρά εργοστάσια που παράγουν φάρμακα, τρόφιμα και καύσιμα, που εντοπίζουν ασθένειες και παράγουν φάρμακα για την αντιμετώπισή τους ενώ ζουν μέσα στο σώμα και λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί υπολογιστές.

Ωστόσο ο σχεδιασμός και η δημιουργία ενός κυττάρου που κάνει ακριβώς αυτό που θέλεις να κάνει είναι δύσκολη υπόθεση, οπότε είναι χρήσιμο να έχει κάποιος μια λίστα των απαραίτητων τμημάτων και να ξέρει πώς ταιριάζονται μεταξύ τους.

«Θέλουμε να κατανοήσουμε τους θεμελιώδεις κανόνες σχεδιασμού της ζωής» είπε η Ελίζαμπεθ Στριχάλσκι, μία εκ των συντελεστών της μελέτης και επικεφαλής του Cellular Engineering Group του NIST. «Αν αυτό το κύτταρο μπορεί να μας βοηθά να ανακαλύπτουμε και να κατανοούμε αυτούς τους κανόνες, τότε αρχίζουμε την πορεία μας».

Παρατήρηση από μικροσκόπιο κυττάρων JCVI-syn3A καθώς αναπτύσσονται και διαιρούνται. Η γραμμή κάτω δεξιά αντιστοιχεί σε 50 μm. A time-lapse video showing cells of the synthetic organism JCVI-syn3A growing and dividing under a light microscope, from a research collaboration between the J. Craig Venter Institute, the National Institute of Standards and Technology and the Massachusetts Institute of Technology Center for Bits and Atoms. The scale bar represents 50 micrometers. Credit: E. Strychalski/NIST and J. Pelletier/MIT

Επιστήμονες στο JCVI δημιούργησαν το πρώτο κύτταρο με συνθετικό γονιδίωμα το 2010. Δεν το έφτιαξαν εξαρχής από το μηδέν, μα άρχισαν με κύτταρα από ένα απλό είδος βακτηρίου ονόματι μυκόπλασμα. Κατέστρεψαν το DNA σε αυτά τα κύτταρα και το αντικατέστησαν με DNA που ήταν σχεδιασμένο σε υπολογιστή και είχε συντεθεί σε εργαστήριο. Αυτός ήταν ο πρώτος οργανισμός στην ιστορία της ζωής στη Γη που είχε ένα εντελώς συνθετικό γονιδίωμα, και ονομάστηκε JCV1-syn1.0.

Έκτοτε προσπαθούν να αποσυνθέσουν τον οργανισμό αυτόν στα μίνιμουμ γενετικά του τμήματα, ωστόσο το κύτταρο που δημιούργησαν πέντε χρόνια πριν, το JCVI-syn3.0, ήταν πολύ «μινιμάλ». Οπότε πρόσθεσαν 19 γονίδια, μεταξύ των οποίων τα επτά που χρειάζονταν για κανονική διαίρεση κυττάρου, δημιουργώντας τη νέα παραλλαγή, JCVI-syn3A. Η παραλλαγή αυτή έχει λιγότερα από 500 γονίδια: Συγκριτικά, τα βακτήρια E.coli έχουν περίπου 4.000, ενώ ένα ανθρώπινο κύτταρο 30.000.

These are time lapse videos of the minimal cell (JCVI-syn3.0) and the wild type organism from which it was designed (JCVI-syn1.0). Magnified 1500X, this shows the growth of the bacteria over an 8-hour period. The videos show the minimal cells are larger than the organism they were designed from, and grow at about the same rate. Micrographs provided by James Pelletier (MIT Center for Bits and Atoms and Department of Physics) and Elizabeth Strychalski (National Institute of Standards and Technology). Credit: J. Craig Venter Institute

Εν τέλει, οι επιστήμονες δημιούργησαν ένα «μίνι ενυδρείο» όπου τα κύτταρα μπορούσαν να τρέφονται και να ζουν κάτω από ένα μικροσκόπιο- και το αποτέλεσμα ήταν ένα βίντεο που έδειξε τα κύτταρα να μεγαλώνουν και να διαιρούνται. Όλα αυτά τα κύτταρα ήταν γενετικά όμοια.

«Σκοπός μας είναι να γνωρίζουμε τη λειτουργία του κάθε γονιδίου, ώστε να μπορέσουμε να αναπτύξουμε ένα πλήρες μοντέλο ως προς το πώς λειτουργεί ένα κύτταρο» είπε άλλος ένας εκ των ερευνητών, ο Τζέιμς Πελετιέ. Ωστόσο ο στόχος αυτός δεν έχε επιτευχθεί ακόμα, καθώς από τα επτά γονίδια που προστέθηκαν σε αυτόν τον οργανισμό για κανονική διαίρεση, οι επιστήμονες ξέρουν μόνο τι κάνουν τα δύο από αυτά. Οι ρόλοι που παίζουν τα άλλα πέντε παραμένουν άγνωστοι.

Πηγές: J.F. Pelletier, L. Sun, K.S. Wise, N. Assad-Garcia, B.J. Karas, T.J. Deerinck, M.H. Ellisman, A. Mershin, N. Gershenfeld, R.Y. Chuang, J.I. Glass and E.A. Strychalski. Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell. Cell. Published online March 29, 2021. DOI: 10.1016/j.cell.2021.03.008 - https://www.nist.gov/news-events/news/2021/03/scientists-create-simple-synthetic-cell-grows-and-divides-normally - https://www.naftemporiki.gr/story/1708739/sunthetiki-zoi-epistimones-dimiourgisan-kuttaro-pou-anaptussetai-kai-diaireitai-kanonika

 

 

Οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες «ερωτεύονται». Spinning Black Holes Fall in Love

Νέοι υπολογισμοί που περιέχονται στην δημοσίευση με τίτλο «Spinning Black Holes Fall in Love» δείχνουν ότι οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες – σε αντίθεση με τις μη περιστρεφόμενες – μπορούν να παραμορφωθούν παλιρροιακά από ένα μη συμμετρικό βαρυτικό πεδίο. New calculations show that spinning black holes—unlike nonspinning ones—can be tidally deformed by a nonsymmetric gravitational field. Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Θα μπορούσε μια μαύρη τρύπα να έχει παλίρροιες; Η κοινή λογική έλεγε όχι. Αυτά τα πυκνά αντικείμενα είναι πολύ άκαμπτα για να σχηματίσουν τέτοιες επιφανειακές παραμορφώσεις. Όμως, ένας νέος θεωρητικός υπολογισμός διαπιστώνει ότι μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα μπορεί να αναπτύξει μια παλιρροιακή διόγκωση σε ένα μη αξονο-συμμετρικό βαρυτικό πεδίο.

Οι Alexandre Le Tiec και Marc Casals στην εργασία τους δείχνουν ότι αυτές οι συνθήκες θα μπορούσαν να προκύψουν κατά τη συγχώνευση μιας μαύρης τρύπας και ότι η διόγκωση επηρεάζει την περιστροφή της μαύρης τρύπας.

They are called "tidal" because they are responsible for the ocean tides on earth. Our planet is in free fall toward the moon. The portion of the ocean's water closer to the moon experiences a stronger attraction than the portion furthest away. That elongates the waters that jacket the earth into two lobes. The earth rotates under these two lobes, once every day, producing two high tides.

Η Γη αλλάζει το σχήμα της εξαιτίας των βαρυτικών δυνάμεων της Σελήνης και του Ήλιου. Μια τέτοια παλιρροιακή παραμόρφωση μπορεί να χαρακτηριστεί από τους «παλιρροιακoύς αριθμούς Love» (Τidal Love Νumbers – συντομογραφικά TLNs, από το όνομά του μαθηματικού Augustus Love). Πρόκειται για το βαρυτικό ανάλογο της ηλεκτρικής επιδεκτικότητας στην ηλεκτροδυναμική

Οι TLNs περιγράφουν διαφορετικούς τρόπους παλιρροιακής απόκρισης. Ο τετραπολικός αριθμός Love της Γης, για παράδειγμα, έχει τιμή 0,3, ενώ η ίδια παράμετρος για ένα (λιγότερο παραμορφώσιμο) άστρο νετρονίων εκτιμάται ότι είναι περίπου 0,1.

Παλαιότερη εργασία έδειξε ότι οι TLNs είναι μηδενικοί για μια μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα σε ένα στατικό παλιρροιακό πεδίο. Αλλά η κατάσταση είναι διαφορετική όταν το πεδίο αλλάζει με το χρόνο ή όταν η μαύρη τρύπα περιστρέφεται σε ασυμμετρικό πεδίο. Οι Le Tiec και Casals διαπίστωσαν ότι μια μαύρη τρύπα που περιστρέφεται στο 10% της μέγιστης ταχύτητας σε ένα μη συμμετρικό πεδίο θα πρέπει να έχει ένα τετραπολικό αριθμό Love 0,002. Παρά το γεγονός ότι είναι σχετικά μικρές, τέτοιες παλιρροιακές παραμορφώσεις θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη δυναμική των συγχωνεύσεων των μαύρων οπών. Για την περίπτωση μιας μαύρης τρύπας με αστρική μάζα που κινείται σπειροειδώς γύρω από μια περιστρεφόμενη τερατώδους μάζας μαύρη τρύπα, διαπίστωσαν ότι οι παλιρροιακές παραμορφώσεις στο μεγαλύτερο αντικείμενο δημιουργούν μια ροπή που επιβραδύνει την περιστροφή της.

Πηγές: A. Le Tiec and M. Casals, “Spinning black holes fall in Love,” Phys. Rev. Lett. 126, 131102 (2021) - https://physics.aps.org/articles/v14/s38 - https://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/black_holes/index.html - https://physicsgg.me/2021/03/31/