Χατ τρικ στην ανίχνευση μποζονίων. Triple threat: The first observation of three massive gauge bosons produced in proton-proton collisions

Παρατηρήθηκε για πρώτη φορά η σπάνια ταυτόχρονη παραγωγή τριών μποζονίων (φορέων της ασθενούς αλληλεπίδρασης) σε συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων. The CMS Collaboration, a large group of researchers from numerous physics institutes worldwide have recently observed the production of three massive gauge bosons in proton-proton collisions for the first time ever. Display of proton-proton collision events recorded by the CMS experiment. A candidate event of simultaneous production of W+, two Z bosons, with multiple electrons and muons (i.e., 5 electrons in this case). Credit: CMS Collaboration.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο, η αποτελεσματικότερη θεωρία που περιγράφει τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων, προβλέπει την ύπαρξη αλληλεπιδράσεων που είναι γνωστές ως «τρι-μποζονικές αλληλεπιδράσεις». Πρόκειται για αλληλεπιδράσεις κατά την διάρκεια των οποίων παράγονται ταυτόχρονα τρία μποζόνια βαθμίδας με μάζα (οι φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης – W^±, Z), από ένα γεγονός στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Οι ‘τρι-μποζονικές αλληλεπιδράσεις’ είναι απίστευτα σπάνιες σε σχέση με αυτές που παράγουν το μποζόνιο Higgs, αφού συμβαίνουν μια φορά στις 100 δισεκατομμύρια συγκρούσεων μεταξύ πρωτονίων. Παρά λοιπόν το γεγονός ότι η θεωρία προέβλεπε την ύπαρξη αυτών των αλληλεπιδράσεων, οι φυσικοί δεν είχαν καταφέρει να τις ανιχνεύσουν στα πειράματά τους.

Η πειραματική ομάδα CMS, σύμφωνα με την δημοσίευσή της στο Physical Review Letters, ανακοίνωσε ότι παρατηρήθηκε για πρώτη φορά η ταυτόχρονη παραγωγή τριών μποζονίων βαθμίδας με μάζα από συγκρούσεις πρωτονίων.

Figure: An event collected by the CMS experiment in 2016, where two W bosons and one Z boson were produced. One W boson decayed to a muon and its neutrino, the other to an electron and its neutrino. Neutrinos cannot be detected by the CMS experiment so are inferred from the missing transverse momentum p_T^miss. The Z boson decayed to two oppositely charged muons.

Οι ερευνητές του CMS μελετώντας το τεράστιο σύνολο δεδομένων που κατέγραψε ο ανιχνευτής από το 2016 έως το 2018, διαπίστωσαν πως οι τρι-μποζονικές αλληλεπιδράσεις εμφανίζονταν αρκετά συχνά ώστε να διακρίνονται από τα γεγονότα υποβάθρου. Έτσι, ξεκίνησαν να ψάχνουν συστηματικά για τρι-μποζόνια ή VVV (όπου V τα μποζόνια W⁺, W^– και Z) ανιχνεύοντας γεγονότα τρι-μποζονικών αλληλεπιδράσεων με τυπικές αποκλίσεις 5,7σ. Αυτό σημαίνει ότι η πιθανότητα να πρόκειται για άσχετα γεγονότα υποβάθρου είναι 1 στο εκατομμύριο.

Η παρουσία των μποζονίων W^± και Z που παράγονται σε συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων προκύπτει διαμέσου της ανίχνευσης των προϊόντων διάσπασής τους. Ένα από τα πιο ξεκάθαρα σημάδια της παρουσίας τους είναι η ανίχνευση ηλεκτρονίων και μιονίων μεγάλης ορμής. Δεδομένου ότι η διαδικασία που θέλουμε να ανιχνεύσουμε περιλαμβάνει τρία μποζόνια βαθμίδας με μάζα, όταν πραγματοποιείται ένα τέτοιο γεγονός τότε παράγονται πολλαπλά ηλεκτρόνια και μιόνια. Έτσι, αναζητήθηκαν τα γεγονότα από τις συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων στα οποία εμφανίζονταν πολλά ηλεκτρόνια και μιόνια, ώστε να διαχωριστεί αυτή η πολύ σπάνια διαδικασία από τα γεγονότα υποβάθρου.

Αυτή η πειραματική επιτυχία συμβάλλει στη βελτίωση της κατανόησης των διαφορετικών τύπων μποζονίων, συμπεριλαμβανομένου του προσφάτως ανακαλυφθέντος μποζονίου Higgs. Ανοίγει ένα νέο παράθυρο στις περίπλοκες λεπτομέρειες του Καθιερωμένου Προτύπου.

H ελληνική συμμετοχή στην ερευνητική ομάδα του CMS.

Οι φυσικοί του CMS σχεδιάζουν την πραγματοποίηση περαιτέρω ερευνών για την εν λόγω διαδικασία που ανίχνευσαν, καθώς και την επέκταση της ανάλυσής τους προς αναζήτηση γεγονότων όπου τα μποζόνια W^± και Z αποσυντίθενται σε κουάρκ και νετρίνα. Αυτό θα τους επιτρέψει να ελέγξουν τις αντίστοιχες θεωρητικές προβλέψεις του Πρότυπου Μοντέλου και ενδεχομένως να αποκαλύψουν νέα φυσικά φαινόμενα που δεν μπορούν να εξηγηθούν από τις υπάρχουσες θεωρίες φυσικής.

Πηγές: Observation of the production of three massive gauge bosons at √s=13  TeV. Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.151802. - https://cms.cern/news/Triple-Treat%21-CMS-observes-production-of-three-massive-vector-bosons - https://phys.org/news/2020-12-triple-threat-massive-gauge-bosons.html - https://physicsgg.me/2020/12/08

 

 

 

Μανόλης Αναγνωστάκης, «Άρχισε μια σιγανή βροχή…»

Pierre Bonnard (1867-1947), Rue Tholozé (Montmartre in the Rain) (1897), oil on paper on wood, 70 x 95 cm, Van Gogh Museum, Amsterdam, The Netherlands. The Athenaeum.

Έπεφτε μια κίτρινη παλιά βροχή…

                                 Γ. Κ.

Άρχισε μια σιγανή βροχή αργά προς το βράδυ.

Στις πολιτείες ο ουρανός φαίνεται μιαν απέραντη λασπωμένη πεδιάδα

Κι η βροχή είναι μια καλοσύνη, όσο να πεις, δε μοιάζει διόλου με το θάνατο

Μπορείς να βαδίζεις κάποτε χωρίς κανένα σκοπό ή με σκοπό —σου είναι αδιάφορο—

Μιαν εποχή μακρινή και νεκρή σα μια βίαια σκισμένη πολυτέλεια.

Εγώ συλλογίζομαι πώς και γιατί άραγε μια βροχή μπορεί να σου θυμίζει τόσα πράγματα

—Χωρίς αμφιβολία είναι τόσο ανόητο να τα στοχάζεσαι όλα αυτά μια τέτοιαν ώρα—

Συλλογίζομαι όμως στις ζεστές χειμωνιάτικες κάμαρες μιαν αλλιώτικη μυρουδιά

Ύστερα από τις 6 με τα κλειστά παραθυρόφυλλα και τ’ αναμμένο φως

Ή μια γωνιά δίπλα στο τζάμι σ’ ένα μεγάλο καφενείο με τις αδιάφορες φωνές.

Τα συλλογίζεσαι όλα αυτά με τον πιο απλούστερο τρόπο ολωσδιόλου παιδιάστικα

Μπορείς να λησμονείς το κάθε τι, τί τάχα να γυρεύεις εδώ μια τέτοιαν ώρα

Εσύ, ο διπλανός σου, όλος αυτός ο κόσμος που πορεύεται δίπλα σου μες στο σκοτάδι

Αυτή η ανήσυχη σιωπή που πληγώνει περισσότερο κι απ’ το πιο κοφτερό λεπίδι

Να λησμονείς για μιαν ελάχιστη στιγμή πως ίσως δεν τέλειωσε ούτε και απόψε για σένανε το κάθε τι

Τόσο π’ αν τρίξει κάτι αναπάντεχα είναι να σου ξυπνήσει την ακριβήν υπόθεση μιας επιστροφής

Τη χειμωνιάτικη ζεστή κάμαρα, το καφενείο με τις πολύχρωμες φωνές.

 

…Έτσι βρέχει λοιπόν μια κίτρινη βροχή χωρίς τέλος.

Μια κίτρινη παλιά βροχή, τη νύχτα, σα μαστίγιο.

Simon Kozhin (1979-), Rain (2006), oil on canvas on cardboard, 30 × 35 cm, Foundation “Cultural Heritage “, St. Petersburg. Courtesy of Simon Kozhin, via Wikimedia Commons.

Μ. Αναγνωστάκης, «Τα ποιήματα», Νεφέλη.

 

Κινέζοι ερευνητές πέτυχαν το «κβαντικό πλεονέκτημα» στους υπολογιστές. Chinese photonic quantum computer demonstrates quantum supremacy

Μία ομάδα Κινέζων επιστημόνων ανακοίνωσε ότι πραγματοποίησε την πρώτη αδιαμφισβήτητη επίδειξη του λεγόμενου «κβαντικού πλεονεκτήματος» (όρου που αντικατέστησε τον παλαιότερο «κβαντική υπεροχή»), αξιοποιώντας την κβαντομηχανική για να πραγματοποιήσει υπολογισμούς, οι οποίοι είναι αδύνατο να γίνουν σε συμβατικούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Photon-based quantum computer does a calculation that ordinary computers might never be able to do. This photonic computer performed in 200 seconds a calculation that on an ordinary supercomputer would take 2.5 billion years to complete. Credit: Hansen Zhong

Είναι η δεύτερη φορά που γίνεται μία τέτοια ανακοίνωση, καθώς είχε προηγηθεί η αμερικανική Google το 2019, όμως είχαν εκφραστεί αμφιβολίες κατά πόσο -όντως- επρόκειτο για κβαντική υπεροχή. Άλλοι επιστήμονες είχαν υποστηρίξει τότε ότι ήταν εφικτός ένας καλύτερος κλασσικός αλγόριθμος, που θα μπορούσε να ξεπεράσει τον κβαντικό υπολογιστή Sycamore της Google.

For the first time, a quantum computer made from photons—particles of light—has outperformed even the fastest classical supercomputers. The setup of lasers and mirrors effectively “solved” a problem far too complicated for even the largest traditional computer system. Credit: Alamy

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Τζιαν-Γουέι Παν του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας στη Χεφέι, οι οποίοι έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Science», σύμφωνα με το «Nature» και το «New Scientist», δήλωσαν ότι οι κβαντικοί υπολογισμοί που πέτυχαν μέσα σε μόνο λίγα λεπτά (200 δευτερόλεπτα), με τη βοήθεια ακτίνων φωτός λέιζερ, θα χρειάζονταν 600 εκατομμύρια χρόνια για να εκτελεσθούν στον ισχυρότερο υπερυπολογιστή του κόσμου, τον ιαπωνικό Fugaku, ή δυόμισι δισεκατομμύρια χρόνια (τη μισή ηλικία της Γης!) για να εκτελεσθούν στον ισχυρότερο κινεζικό υπερυπολογιστή και Νο4 στον κόσμο, τον Sunway TaihuLight.

«Δείξαμε ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε φωτόνια, τη θεμελιώδη μονάδα του φωτός, για να πετύχουμε κβαντική υπολογιστική ισχύ πολύ πέρα από τους κλασικούς υπολογιστές», ανέφερε ο Παν. Είναι η πρώτη φορά που το κβαντικό πλεονέκτημα επιτεύχθηκε με τη χρήση της φωτονικής.

Για «σημαντικό ορόσημο» έκανε λόγο ο φυσικός Ίαν Γουόλμσλεϊ του Κολλεγίου Imperial του Λονδίνου. Διευκρίνισε, όμως, ότι -αντίθετα με τον κβαντικό υπολογιστή Sycamore της Google- ο κινεζικός κβαντικός αλγόριθμος δεν είναι δυνατό να προγραμματιστεί, συνεπώς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση πρακτικών προβλημάτων, κάτι που όμως πιθανώς καταστεί εφικτό στο μέλλον, ώστε να αξιοποιηθεί π.χ. στην κβαντική κρυπτογράφηση ή στην κβαντική χημεία.

Πηγές: Quantum computational advantage using photons, Science (2020). DOI: 10.1126/science.abe8770, science.sciencemag.org/content … 2/02/science.abe8770 - https://www.nature.com/articles/d41586-020-03434-7 - https://www.scientificamerican.com/article/light-based-quantum-computer-exceeds-fastest-classical-supercomputers/ - https://www.amna.gr/home/article/511212/-Kinezoi-ereunites-petuchan-to-kbantiko-pleonektima-stous-upologistes

 

 

Οι φυσικοί μέτρησαν τον «μαγικό αριθμό» που καθορίζει το σύμπαν. Physicists Nail Down the ‘Magic Number’ That Shapes the Universe

Μια ομάδα φυσικών στο Παρίσι πραγματοποίησε την ακριβέστερη μέτρηση της σταθεράς λεπτής υφής, ‘σκοτώνοντας’ τις ελπίδες για την ανακάλυψη κάποιου νέου είδους δύναμης στη φύση. A team in Paris has made the most precise measurement yet of the fine-structure constant, killing hopes for a new force of nature. The fine-structure constant was introduced in 1916 to quantify the tiny gap between two lines in the spectrum of colors emitted by certain atoms. The closely spaced frequencies are seen here through a Fabry-Pérot interferometer. Computational Physics Inc.

Μια ομάδα φυσικών στο Παρίσι πραγματοποίησε την ακριβέστερη μέτρηση της σταθεράς λεπτής υφής, ‘σκοτώνοντας’ τις ελπίδες για την ανακάλυψη κάποιου νέου είδους δύναμης στη φύση.

Διάφορες εκφράσεις της σταθεράς λεπτής υφής. Η σταθερά αυτή είναι αδιάστατος αριθμός – δεν έχει μονάδες μέτρησης.

Η σταθερά λεπτής υφής συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα α και εκφράζει την ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Είναι αδιάστατη σταθερά και ισούται περίπου με 1/137 (παρά την «πίστη» του Arthrur Eddington, ότι η τιμή της ισούται ακριβώς με 1/137). Η τιμή αυτή φαίνεται μικρή όταν συγκρίνεται με την ισχύ των ισχυρών (πυρηνικών) δυνάμεων, αλλά πολύ μεγαλύτερη όταν συγκρίνεται με την ισχύ των ασθενών (πυρηνικών) δυνάμεων, και τεράστια αν συγκριθεί με την ισχύ των βαρυτικών δυνάμεων.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Forces/funfor.html

Από τις θεμελιώδεις παγκόσμιες σταθερές η ταχύτητα του φωτός c, απολαμβάνει την μεγαλύτερη δόξα. Όμως, η αριθμητική τιμή της ταχύτητας του φωτός δεν μας λέει τίποτα για την φύση. Η τιμή της διαφέρει ανάλογα με το αν μετράται σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο ή σε χιλιόμετρα ανά ώρα. Η σταθερά λεπτής υφής, αντίθετα, δεν έχει διαστάσεις ή μονάδες. Είναι ένας καθαρός αριθμός – «ένας ακατανόητος μαγικός αριθμός», σύμφωνα με τον Richard Feynman, ενώ ο Paul Dirac θεωρούσε την προέλευση του αριθμού αυτού ως «το πιο θεμελιώδες άλυτο πρόβλημα της φυσικής». Η σταθερά της λεπτής υφής είναι παντού, δεδομένου ότι χαρακτηρίζει την ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με την οποία αλληλεπιδρούν όλα τα φορτισμένα σωματίδια όπως ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Στον καθημερινό μας κόσμο, όλα είναι είτε βαρύτητα είτε ηλεκτρομαγνητισμός. Και γι‘ αυτό η σταθερά α είναι τόσο σημαντική.

Process for measuring the fine-structure constant. Morel et al. report a highly precise determination of the fine-structure constant — the physical constant that defines the strength of the electromagnetic force between elementary particles. a, In the measurement of this constant, a beam of light from a laser causes an atom to recoil. The red and blue colours correspond to the light wave’s peaks and troughs, respectively. The kinetic energy of the recoil is used to deduce the atom’s mass. b, The value of the atom’s mass is then combined with the precisely known ratio of the atom’s mass to the electron’s mass to infer the mass of an electron. c, Finally, the electron’s mass and the binding energy of a hydrogen atom are used to determine the fine-structure constant. The binding energy is known from spectroscopy, whereby light emitted from a hydrogen atom is analysed.

Οι φυσικοί θέλουν να μετρήσουν τη σταθερά λεπτής υφής όσο το δυνατόν ακριβέστερα. H ακριβής μέτρησή της επιτρέπει τον έλεγχο της θεωρίας που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων – το πολύπλοκο σύνολο εξισώσεων που είναι γνωστό ως Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Σε χτεσινή δημοσίευση στο περιοδικό Nature με τίτλο «Determination of the fine-structure constant with an accuracy of 81 parts per trillion» , μια ομάδα τεσσάρων φυσικών με επικεφαλής την Saïda Guellati-Khélifa στο Εργαστήριο Kastler Brossel στο Παρίσι ανέφερε την ακριβέστερη μέχρι σήμερα μέτρηση της σταθεράς λεπτής υφής. Η ομάδα μέτρησε την τιμή της σταθεράς μέχρι το 11ο δεκαδικό ψηφίο, βρίσκοντας την τιμή (στην εργασία αναφέρεται η τιμή του 1/α):

1/α=137.035999206(11)

με τα δύο τελευταία ψηφία να είναι αβέβαια. Το σφάλμα είναι ελάχιστο, μόλις 81 μέρη ανά τρισεκατομμύριο και η μέτρηση είναι περίπου τρεις φορές ακριβέστερη από την προηγούμενη καλύτερη μέτρηση του 2018 από την ομάδα Müller στο Berkeley. Η Guellati-Khélifa κατείχε το ρεκόρ ακριβέστερης μέτρησης πριν από τον Müller το 2011!

Η Saïda Guellati-Khélifa στο εργαστήριό της στο Παρίσι. Saïda Guellati-Khélifa in her laboratory in Paris. Jean-François Dars and Anne Papillaut

Η Guellati-Khélifa βελτιώνει το πείραμά της συνεχώς τα τελευταία 22 χρόνια(!). Προσδιορίζει την σταθερά λεπτής υφής, μελετώντας τις ανακρούσεις των ατόμων ρουβιδίου όταν απορροφούν ένα φωτόνιο. Ο Müller κάνει το ίδιο με τα άτομα καισίου. Ο Müller παραδέχθηκε τους ανταγωνιστές του, δηλώνοντας πως «μια μέτρηση τρεις φορές ακριβέστερη είναι πολύ μεγάλη υπόθεση. Ας μην ντρεπόμαστε λοιπόν να το ονομάσουμε ένα μεγάλο επίτευγμα.»

Η παλαιότερη μέτρηση του Müller 2018 είχε χαιρετιστεί ως ο μεγαλύτερος θρίαμβος του Καθιερωμένου Προτύπου. Το νέο αποτέλεσμα της Guellati-Khélifa είναι ακόμη μεγαλύτερος. Πρόκειται για την ακριβέστερη συμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος μέχρι σήμερα.

Πηγές: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2964-7 - https://www.nature.com/articles/d41586-020-03314-0 - https://www.quantamagazine.org/physicists-measure-the-magic-fine-structure-constant-20201202/ - https://physicsgg.me/2020/12/04/

 

 

 

Χρονοκάψουλες κοσμικών ακτίνων. Cosmic-Ray Time Capsules

Μια νέα τεχνική προτείνεται για την μελέτη της ιστορίας των κοσμικών ακτίνων από τον Γαλαξία μας. Βασίζεται στην παρατήρηση των ιχνών που προκαλούν τα νετρίνα σε πετρώματα που βρίσκονται θαμμένα πολύ βαθιά στη Γη. A proposed technique to study our Galaxy’s cosmic-ray history involves observing the damage created by neutrinos within deeply buried rocks. Cosmic rays collide with molecules in Earth’s atmosphere, creating showers of particles that include neutrinos. The neutrinos can penetrate deep within Earth’s surface, where they may leave a cosmic-ray record in buried rocks. NSF/J.Yang

Η επιφάνεια της Γης βομβαρδίζεται συνεχώς από κοσμικές ακτίνες – υψηλής ενέργειας σωματίδια (κυρίως πρωτονίων και ελαφρών πυρήνων) – που προέρχονται από διάφορες αστρονομικές πηγές. Αν γνωρίζαμε τον τρόπο με τον οποίο μεταβαλλόταν αυτή η ροή σε χρονικό διάστημα δισεκατομμυρίων ετών, θα μπορούσαμε να αποκαλύψoυμε ενδείξεις για τις πηγές της και την εξέλιξή της. Μια ομάδα επιστημόνων πρότεινε μια μέθοδο για την ανάγνωση των υπογραφών των κοσμικών ακτίνων σε αρχαία πετρώματα που εξήχθησαν με γεωλογικές γεωτρήσεις από τα βάθη της Γης. Οι ερευνητές δείχνουν ότι τα αποτυπώματα στις κρυσταλλικές δομές που οφείλονται σε σωματίδια-προϊόντα των συγκρούσεων κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα, μπορεί να διατηρούνται στα πετρώματα για δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτές οι καταγραφές ενδέχεται να εκφράζουν τις υπογραφές αρχέγονων γεγονότων, όπως εκρήξεις σουπερνόβα στην γαλαξιακή γειτονιά μας.

Οι επιστήμονες μπορούν να ανακατασκευάσουν το ιστορικό αρχείο της ροής κοσμικών ακτίνων μετρώντας τη συγκέντρωση του ισότοπου βηρυλλίου-10 στα πετρώματα. Το βηρύλλιο-10 είναι προϊόν πυρηνικών αντιδράσεων μεταξύ κοσμικών ακτίνων και πυρήνων ατόμων της ατμόσφαιρας, αλλά δεδομένου ότι ο χρόνος ημιζωής του είναι 1.39×10⁶ χρόνια, σημαίνει ότι τέτοιες καταγραφές συνέβησαν πριν από μερικά εκατομμύρια χρόνια (μόνο).
Όμως, τα νετρίνα θα μπορούσαν να έχουν προκαλέσει πολύ παλαιότερες καταγραφές.

Νετρίνα παράγονται και από τις συγκρούσεις των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα, και δεδομένου ότι αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στη Γη πριν συγκρουστούν με ένα άτομο που ανήκει σε βράχο βαθιά θαμμένο στη Γη. Μια τέτοια σύγκρουση μπορεί να διασπάσει το άτομο, προκαλώντας παράπλευρες μετατοπίσεις σε μορφή ιχνών κατά μήκος των οποίων πολλά άτομα στον κρύσταλλο εκτοπίζονται εξαιτίας της ανάκρουσης των πυρήνων τους.

Η ιδέα της χρήσης των ανακρουόμενων πυρήνων σε αρχέγονα πετρώματα ως παγωμένες υπογραφές των εξωτικών σωματιδίων έχει μεγάλη ιστορία. Παλαιότερα είχε προταθεί να χρησιμοποιηθούν τα αποτυπώματα των διαδρομών που οφείλονται στα νετρίνα ως καταγραφές παλαιότερων εκρήξεων σουπερνόβα. Εκτός λοιπόν από τα νετρίνα που φτάνουν απευθείας από τα σουπερνόβα στο εσωτερικό της Γης, κανείς μέχρι σήμερα δεν είχε θεωρήσει τα ίχνη σε πετρώματα ως αποτυπώματα νετρίνων που προκύπτουν από τις συγκρούσεις των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα της Γης.

Οι Josh Spitz, η Ann Arbor και οι συνάδελφοί τους, με βάση τον αριθμό των «ατμοσφαιρικών» νετρίνων που δημιουργούνται από τη σημερινή ροή κοσμικών ακτίνων, υπολογίζουν ότι σε 100 γραμμάρια του ορυκτού αλογίτη (χλωριούχο νάτριο, που επιλέχθηκε ως απλό παράδειγμα πετρώματος-στόχου), ηλικίας δισεκατομμυρίων ετών, πρέπει να περιέχει περίπου 60.000 ίχνη (!) που οφείλονται σε νετρίνα.

Οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει προσομοιώσεις σε υπολογιστή για να μοντελοποιήσουν το αποτύπωμα που θα αφήσουν τα νετρίνα. Τα προβλεπόμενα ίχνη έχουν μεγάλο εύρος μήκους, αλλά αυτά που έχουν μήκος 2 έως 20 ή 50 έως 1000 μικρόμετρα διαχωρίζονται από τα ίχνη υποβάθρου που παράγονται, για παράδειγμα, από τη διάσπαση ραδιενεργών στοιχείων στη Γη ή από νετρίνα προερχόμενα από τον Ήλιο ή από κοντινά σουπερνόβα. Για να εξαλειφθεί το υπόβαθρο από λιγότερο διεισδυτικά σωματίδια, όπως τα μιόνια των κοσμικών ακτίνων, οι ερευνητές προτείνουν τη χρήση πετρωμάτων από βάθη μεγαλύτερα των 5 χιλιομέτρων. Σχεδόν κάθε ορυκτό που δεν είναι αγώγιμο μπορεί δυνητικά να σχηματίσει και να διατηρήσει ίχνη στα τεράστια γεωλογικά χρονικά διαστήματα.

Δείγμα πετρώματος με μεγάλο αριθμό ιχνών πυρηνικής ανάκρουσης που οφείλονται σε προϊόντα πυρηνικής σχάσης. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι δείγματα πετρωμάτων από γεωτρήσεις μεγάλου βάθους μπορεί να περιέχουν παρόμοια ίχνη από νετρίνα που προκύπτουν από τις αλληλεπιδράσεις των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα. This rock sample exhibits a large number of nuclear-recoil tracks coming from nuclear fission products. Researchers have proposed that rock samples from deep boreholes may contain similar tracks arising from neutrinos that originate in cosmic-ray interactions. A. J. W. Gleadow et al., Rev. Mineral. Geochem. 48, 579 (2002)

Οι ερευνητές δείχνουν ότι, μελετώντας δείγματα με ένα εύρος διαφορετικών ηλικιών μέσα στα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια περίπου, θα πρέπει να είναι δυνατή η διάκριση μεταξύ, π.χ. μιας σταθερής ροής κοσμικών ακτίνων, από μια που αυξάνεται σταθερά και μιας άλλης όπου υπάρχει ξαφνική αλλά παροδική αύξηση λόγω κάποιου κοσμικού συμβάντος.

Cosmic rays produced by high-energy astrophysics sources (ASPERA collaboration – AStroParticle ERAnet)

Προσδιορίζοντας την εξέλιξη στην ροή των κοσμικών ακτίνων μπορούν να αποκαλυφθούν πιθανές τάσεις που σχετίζονται με την τροχιά των τελευταίων (!) 250 εκατομμυρίων ετών του ηλιακού μας συστήματος γύρω από το κέντρο του Γαλαξία μας. Οι μετρήσεις που μας πάνε δισεκατομμύρια χρόνια πίσω στο παρελθόν, θα παρείχαν πληροφορίες για την διάδοση και την παραγωγή κοσμικών ακτίνων στο Γαλαξία μας.

Απομένει αρκετή δουλειά που πρέπει να γίνει πριν από την υλοποίηση της ιδέας, λένε ο Spitz και οι συνεργάτες του. Θα χρειαστούν εργαστηριακές μετρήσεις για την επαλήθευση των μοντέλων σχηματισμού ιχνών σε ελεγχόμενα περιβάλλοντα και υπάρχουν υλικοτεχνικές προκλήσεις για την συλλογή και ανάλυση δειγμάτων πετρωμάτων από γεωτρήσεις μεγάλου βάθους, προτού τα ίχνη τους μολυνθούν από την έκθεση στην επιφάνεια.

«Η γεωφυσική μέθοδος που προτείνεται εδώ θα προσφέρει έναν νέο τρόπο διερεύνησης της δραστηριότητας των κοσμικών ακτίνων», λέει ο αστροφυσικός Brian Fields του Πανεπιστημίου του Ιλλινόις. «Αυτή η δραστηριότητα θα μπορούσε να αποκαλύψει την ιστορία σχηματισμού των άστρων του Γαλαξία μας, και θα μπορούσε να συγκριθεί με άλλους γαλαξίες».

Μελέτες μετεωριτών δεν έχουν δείξει σαφή στοιχεία για οποιαδήποτε αλλαγή στη ροή κοσμικών ακτίνων σε χρονικά διαστήματα από εκατομμύρια μέχρι δισεκατομμύρια χρόνια, λέει ο αστροχημικός Rainer Wieler του ETH στη Ζυρίχη. Αλλά αυτές οι μέθοδοι δεν είναι ευαίσθητες σε βραχυπρόθεσμες αλλαγές. Η νέα προσέγγιση θα μπορούσε να αποφύγει αυτόν τον περιορισμό εφόσον βρεθούν αρχέγονα (χρονολογημένα με ακρίβεια) πετρώματα σε μεγάλο βάθος.

Πηγές: https://physics.aps.org/articles/v13/186 - https://physicsgg.me/2020/12/02/

 

 

Κωνσταντίνος Π. Καβάφης, «Έτσι πολύ ατένισα –». Constantine P. Cavafy, “I’ve Looked So Much...”

Piero di Cosimo (1462–1521), Portrait of Simonetta Vespucci (1490), media not known, 57 x 42 cm, Musée Condé, Chantilly, France. Wikimedia Commons.

Την εμορφιά έτσι πολύ ατένισα,

που πλήρης είναι αυτής η όρασίς μου.

 

Γραμμές του σώματος. Κόκκινα χείλη. Μέλη ηδονικά.

Μαλλιά σαν από αγάλματα ελληνικά παρμένα·

πάντα έμορφα, κι αχτένιστα σαν είναι,

και πέφτουν, λίγο, επάνω στ’ άσπρα μέτωπα.

Πρόσωπα της αγάπης, όπως τάθελεν

η ποίησίς μου .... μες στες νύχτες της νεότητός μου,

μέσα στες νύχτες μου, κρυφά, συναντημένα ....

Gustav Klimt (1862–1918), Love (1895), oil on canvas, 60 × 44 cm, Museen der Stadt Wien, Vienna, Austria. Wikimedia Commons.

Επιμέλεια Γ. Π. Σαββίδη. Τα Ποιήματα, Τ. Α’ 1897 - 1918, Ίκαρος 1963

I’VE LOOKED SO MUCH...

Mattia Preti (1613–1699), Erminia, Princess of Antioch (date not known), oil on canvas, 98 x 73 cm, location not known. Wikimedia Commons.

I’ve looked on beauty so much

that my vision overflows with it.

 

The body’s lines. Red lips. Sensual limbs.

Hair as though stolen from Greek statues,

always lovely, even uncombed,

and falling slightly over pale foreheads.

Figures of love, as my poetry desired them

.... in the nights when I was young,

encountered secretly in those nights. 

Ferdinand Hodler (1853–1918), The Night (1889-90), oil on canvas, 116.5 × 299 cm, Kunstmuseum Bern, Bern, Switzerland. Wikimedia Commons.

Reprinted from C. P. CAVAFY: Collected Poems Revised Edition, translated by Edmund Keeley and Philip Sherrard, edited by George Savvidis. Translation copyright © 1975, 1992 by Edmund Keeley and Philip Sherrard. Princeton University Press.

 

 

Λύθηκε με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης ένα μυστήριο της βιολογίας σχετικά με τη δομή των πρωτεϊνών. ‘It will change everything’: DeepMind’s AI makes gigantic leap in solving protein structures

Το επίτευγμα, που χαρακτηρίσθηκε ορόσημο από τον επιστημονικό κόσμο, θα βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση διαφόρων ασθενειών και στην επιτάχυνση της ανάπτυξης νέων φαρμάκων, μεταξύ άλλων για την Covid-19. Inside every cell in your body, billions of tiny molecular machines are hard at work. They’re what allow your eyes to detect light, your neurons to fire, and the ‘instructions’ in your DNA to be read, which make you the unique person you are. Google’s deep-learning program for determining the 3D shapes of proteins stands to transform biology, say scientists. A protein’s function is determined by its 3D shape. Credit: DeepMind

Ένα σύστημα τεχνητής νοημοσύνης με την ονομασία AlphaFold, που αναπτύχθηκε από τη βρετανική εταιρεία DeepMind, θυγατρική της Google, κατάφερε για πρώτη φορά να λύσει ένα από τα μεγάλα μυστήρια της βιολογίας εδώ και δεκαετίες: να προβλέπει γρήγορα και με ακρίβεια πώς θα αναδιπλωθούν οι πρωτεΐνες, ποιο τρισδιάστατο σχήμα θα πάρουν και άρα ποια θα είναι η λειτουργία τους. Το επίτευγμα, που χαρακτηρίσθηκε ορόσημο από τον επιστημονικό κόσμο, θα βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση διαφόρων ασθενειών και στην επιτάχυνση της ανάπτυξης νέων φαρμάκων, μεταξύ άλλων για την Covid-19.

Source: DeepMind

Σε ένα σχετικό διαγωνισμό, το «έξυπνο» σύστημα AlphaFold νίκησε, καθώς μπόρεσε γρήγορα να προβλέψει σωστά τουλάχιστον τα δύο τρίτα της δομής των πρωτεϊνών, με βάση μόνο την αρχική αλληλουχία (αλυσίδα) των αμινοξέων τους, κάτι που για να το πετύχουν οι άνθρωποι, χρειάζονται δαπανηρές και χρονοβόρες διαδικασίες στο εργαστήριο. Μέσα σε λίγες μέρες, ο αλγόριθμος έκανε δουλειά που οι επιστήμονες θέλουν χρόνια στο εργαστήριο τους.

Two examples of protein targets in the free modelling category. AlphaFold predicts highly accurate structures measured against experimental result. Credit: DeepMind

«Έμεινα πραγματικά έκθαμβος, όταν το είδα. Δεν περίμενα ποτέ να το δω όσο ζούσα», δήλωσε ο δομικός βιολόγος δρ Τζον Μουλτ του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ, ένας από τους διοργανωτές του διεθνούς επιστημονικού διαγωνισμού CASP (Critical Assessment of protein Structure Prediction), που ξεκίνησε το 2004 και γίνεται ανά διετία.

Join DeepMind Science Engineer Kathryn Tunyasuvunakool to explore the hidden world of proteins. These tiny molecular machines underpin every biological process in every living thing and each one has a unique 3D shape that determines how it works and what it does. But figuring out the exact structure of a protein is an expensive and often time-consuming process, meaning we only know the exact 3D structure of a tiny fraction of the 200m proteins known to science. Being able to accurately predict the shape of proteins could accelerate research in every field of biology. That could lead to important breakthroughs like finding new medicines or finding proteins and enzymes that break down industrial and plastic waste or efficiently capture carbon from the atmosphere.  Join Kathryn as she explains what protein folding is, why it's important and how our Artificial Intelligence system AlphaFold offers a solution to this grand scientific challenge. Credit: DeepMind

Οι δεκάδες χιλιάδες διαφορετικές πρωτεΐνες παίζουν ζωτικό ρόλο στην υγεία και στις ασθένειες του σώματος, καθώς τα κύτταρα φτιάχνονται από πρωτεΐνες, το πολύπλοκο σχήμα των οποίων παίζει σημαντικό ρόλο. Για παράδειγμα, ο κορονοϊός που προκαλεί τη νόσο Covid-19, εισδύει στα ανθρώπινα κύτταρα, επειδή μια προεξέχουσα πρωτεΐνη-ακίδα που διαθέτει, ταιριάζει δομικά -όπως το κλειδί σε μια κλειδαριά- με μια πρωτεΐνη-υποδοχέα στα κύτταρα μας.

Tο σχήμα κάθε πρωτεΐνης καθορίζεται από την αλληλουχία 20 διαφορετικών αμινοξέων, που σχηματίζουν αλυσίδες για να φτιάξουν τις πρωτεΐνες (για τη σχετική ανακάλυψη δόθηκε το 1972 το Νόμπελ στον Κρίστιαν Άνφινσεν). Είναι εύκολο για τους βιολόγους να «διαβάσουν» αυτή την αλληλουχία, καθώς καθορίζεται από το DNA που την κωδικοποιεί, αλλά σχεδόν αδύνατο -παρά τις προσπάθειες μισού αιώνα περίπου- να προβλεφθεί το σχήμα μιας πρωτεΐνης με βάση τα δεκάδες ή εκατοντάδες αμινοξέα της.

The inside story of the DeepMind team of scientists and engineers who created AlphaFold, an AI system that is recognised as a solution to "protein folding", a grand scientific challenge for more than 50 years. Credit: DeepMind

Μέχρι σήμερα οι επιστήμονες καταφεύγουν σε πειραματικές τεχνικές, όπως η κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ, η μικροσκοπία κρυο-ηλεκτρονίων και η φασματοσκοπία MMR, που όμως είναι πάρα πολύ δύσκολες, καθώς χρειάζονται μήνες ή χρόνια και δεν δουλεύουν πάντα σωστά. Όμως το νέο σύστημα βαθιάς μάθησης AlphaFold, που άρχισε να δοκιμάζεται το 2018 και έκτοτε βελτιώθηκε σημαντικά, μπορεί πλέον να συσχετίσει κάθε αλληλουχία αμινοξέων με μια διαφορετική πρωτεϊνική δομή. Πάντως έχει ακόμη περιθώρια βελτίωσης, καθώς π.χ. δεν τα πάει τόσο καλά με τις πρωτεΐνες των οποίων η δομή επηρεάζεται από αλληλεπιδράσεις με άλλες πρωτεΐνες.

Όπως δήλωσε ο εξελικτικός βιολόγος Αντρέι Λούπας του γερμανικού Ινστιτούτου Αναπτυξιακής Βιολογίας Μαξ Πλανκ, τα επόμενα λίγα χρόνια οι ερευνητές θα συνεχίσουν να «τσεκάρουν» οι ίδιοι την ακρίβεια των προβλέψεων του AlphaFold, αλλά μετά θα εξαρτιούνται αποκλειστικά από τους υπολογισμούς της τεχνητής νοημοσύνης. Όπως είπε, η πραγματική επανάσταση θα συμβεί, όταν πλέον οι επιστήμονες θα μπορούν να χρησιμοποιούν μόνο τους υπολογιστές για να προβλέπουν πώς οι πρωτεΐνες αλληλεπιδρούν με άλλα μόρια. «Αυτό θα αλλάξει τελείως το πρόσωπο της ιατρικής», εκτίμησε.

Ήδη, για παράδειγμα, ο αλγόριθμος AlphaFold προέβλεψε σωστά τα σχήματα αρκετών πρωτεϊνών του κορονοϊού SARS-CoV-2. Στο μέλλον θα έχει πιθανώς την ικανότητα να προβλέπει ποια από τα χιλιάδες υπάρχοντα φάρμακα προσδένονται σωστά σε αυτές τις πρωτεΐνες, άρα μπορεί να έχουν θεραπευτική δράση, χωρίς να χρειάζεται οι επιστήμονες να κάνουν πανάκριβα και πολύπλοκα πειράματα όπως τώρα.

Demis Hassabis, DeepMind’s chief executive, says that the company is learning what biologists want from AlphaFold. Credit: OLI SCARFF/AFP/Getty

Προς το παρόν, σύμφωνα με το "New Scientist", το BBC και το "Science", οι δημιουργοί του AlphaFold δεν έχουν αποκαλύψει πολλές λεπτομέρειες για το σύστημα τους, αλλά δήλωσαν ότι σύντομα θα κάνουν σχετική επιστημονική δημοσίευση. Η DeepMind δεν έχει ακόμη διευκρινίσει με ποιο τρόπο οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο θα μπορούν να αξιοποιήσουν το νέο σύστημα, αλλά υποσχέθηκε να διασφαλίσει ευρεία πρόσβαση.

Πηγές: deepmind.com/blog/article/alph … challenge-in-biology - https://www.nature.com/articles/d41586-020-03348-4 - https://www.amna.gr/home/article/510180/Luthike-me-ti-boitheia-tis-technitis-noimosunis-ena-mustirio-tis-biologias-schetika-me-ti-domi-ton-proteinon