Δευτέρα, 30 Ιουνίου 2014

Οι εκρήξεις των ακτίνων γάμμα οδηγούν την έρευνα για τα βαρυτικά κύματα

Τα βαρυτικά κύματα (Gravitational waves-GWs)-οι ρυτιδώσεις στο χωρόχρονο που πρόβλεψε ο Einstein-ποτέ δεν παρατηρήθηκαν απευθείας. Η ανίχνευσή τους είναι περίπλοκη εξ αιτίας του γεγονότος ότι τα GWs θα έχουν μια εξαιρετικά μικρή επίδραση στους ανιχνευτές και αυτό επειδή οι πλέον υποσχόμενες πηγές τους (όπως οι μαύρες τρύπες ή τα ζεύγη των άστρων νετρονίων) είναι τόσο μακριά από τη Γη που το πλάτος των κυμάτων θα είναι εξαιρετικά μικρό όταν θα φτάνουν σε μας.

Για να αντιμετωπίσουν αυτή την πρόκληση, οι ερευνητές ανάπτυξαν υπερευαίσθητα, βασισμένα σε laser, συμβολόμετρα που θα ανιχνεύσουν το πέρασμα ενός GW μετρώντας τις υπερβολικά μικρές διαφορές μήκους μεταξύ δυο γιγαντιαίων (κλίμακας χιλιομέτρου) κάθετων βραχιόνων του συμβολόμετρου. Καθώς οι ταυτόχρονες μετρήσεις από διαφορετικούς ανιχνευτές που βρίσκονται σε μακρινές αποστάσεις μεταξύ τους είναι ο καλύτερος τρόπος να αποκλειστούν τα λάθος σήματα, δυο μεγάλες διεθνείς συνεργασίες-το Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), με παρατηρητήρια σε Louisiana και Washington και το Virgo, ένα συμβολόμετρο laser για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που λειτουργεί στην Ιταλία-συνεργάστηκαν μεταξύ τους για την έρευνα. Οι ερευνητές συγχρόνισαν τις έρευνές τους με το χρόνο άφιξης των εκρήξεων ακτίνων γάμμα (gamma-ray bursts-GRBs), που συνδέονται με ορισμένα αστρονομικά γεγονότα τα οποία θεωρούνται ότι απελευθερώνουν βαρυτικά κύματα. Τα δεδομένα των GRBs παρέχονται από το διαπλανητικό δίκτυο (InterPlanetary Network) δορυφόρων και άλλων διαστημοσυσκευών.

Ξεκινώντας το 2005, οι δυο ερευνητικές ομάδες μελέτησαν για πέντε χρόνια 508 GRBs-την πιο εκτενή μέχρι σήμερα αναζήτηση, βασισμένη στα GRBs, με διπλάσια, συγκρινόμενη με τις προηγούμενες έρευνες, βελτίωση της στατιστικής των σημάτων. Αλλά, στο πλαίσιο της ευαισθησίας των ανιχνευτών τους, δεν παρατήρησαν βαρυτικά κύματα. Σύμφωνα με τα δεδομένα τους, οι πηγές των GRBs που παρατηρήθηκαν ήταν πολύ μακριά για να παράγουν ανιχνεύσιμα GWs. Όμως η ανάλυση των ευρημάτων αφήνει περιθώρια ελπίδας. Με πηγές βαρυτικών κυμάτων σε συγκρίσιμες αποστάσεις, σχεδιασμένες βελτιώσεις στους ανιχνευτές των LIGO και Virgo θα δώσουν στους ερευνητές μια ευκαιρία να επισημανθούν τα «άπιαστα» κύματα όταν οι ερευνητικές ομάδες αρχίσουν να συλλέγουν δεδομένα και πάλι το 2015.

Περίληψη της εργασίας στο: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.011102

Πηγή: APS

Τετάρτη, 25 Ιουνίου 2014

Μπορεί το μποζόνιο Higgs να είχε αναγκάσει το Σύμπαν να καταρρεύσει; Ευρήματα ερευνών προβληματίζουν.

Βρετανοί κοσμολόγοι σε κρίση: Προβλέπουν ότι το Σύμπαν δεν πρέπει να έχει διαρκέσει για περισσότερο από ένα δευτερόλεπτο. Αυτό το τρομερό συμπέρασμα είναι το αποτέλεσμα του συνδυασμού των νεότερων παρατηρήσεων του ουρανού με την πρόσφατη ανακάλυψη του μποζόνιου Higgs.

Μετά την αρχή (;) του Σύμπαντος με τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), θεωρείται ότι υπήρξε μια σύντομη περίοδος απίστευτα γρήγορης διαστολής του, γνωστής ως «κοσμικός πληθωρισμός». Παρόλο που οι λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητές, οι κοσμολόγοι είναι σε θέση να κάνουν προβλέψεις για το πώς αυτός θα μπορούσε να επιδράσει στο Σύμπαν που βλέπουμε σήμερα.

Το Μάρτιο του 2014, ερευνητές από τη συνεργασία BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) ισχυρίστηκαν ότι έχουν ανιχνεύσει μια από αυτές τις επιδράσεις που έχουν προβλεφθεί. Αν είναι αλήθεια, τα αποτελέσματά τους είναι μια σημαντική πρόοδος για την κατανόηση της κοσμολογίας και επιβεβαίωση της υπόθεσης του πληθωρισμού, αλλά έχουν αμφισβητηθεί και δεν είναι πλήρως αποδεκτά από τους κοσμολόγους.

Σε μια νέα μελέτη επιστήμονες από το King's College London (KCL) ερεύνησαν τι σημαίνουν για τη σταθερότητα του Σύμπαντος οι παρατηρήσεις του (πειράματος) BICEP2. Για να το κάνουν αυτό συνδύασαν τα αποτελέσματα με σύγχρονα επιτεύγματα της σωματιδιακής φυσικής. Με την ανίχνευση του μποζόνιου Higgs που ανακοινώθηκε το Ιούλιο του 2012 και από τότε πολλά έχουν γίνει γνωστά για τις ιδιότητές του.

Μετρήσεις του μποζόνιου Higgs επέτρεψαν στους σωματιδιακούς φυσικούς να παρουσιάσουν ότι το Σύμπαν μας βρίσκεται σε μια κοιλάδα του «πεδίου Higgs», το οποίο περιγράφει τον τρόπο που τα άλλα σωμάτια αποκτούν μάζα. Ωστόσο υπάρχει μια διαφορετική, βαθύτερη, κοιλάδα η οποία είναι πολύ βαθύτερη αλλά το Σύμπαν μας εμποδίζεται από την πτώση μέσα της, από ένα ευρύ ενεργειακό εμπόδιο.

Το πρόβλημα είναι ότι τα αποτελέσματα του BICEP2 προβλέπουν ότι το Σύμπαν θα είχε δεχθεί δυνατές «κλωτσιές» κατά τη διάρκεια της φάσης του κοσμικού πληθωρισμού που θα το ωθούσαν, μέσα σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, στην άλλη κοιλάδα του πεδίου Higgs. Εάν αυτό συνέβαινε το Σύμπαν θα είχε καταρρεύσει ταχύτατα σε μια Μεγάλη Σύνθλιψη.

«Είναι μια μη αποδεκτή πρόβλεψη της θεωρίας επειδή εάν αυτό συνέβαινε δεν θα ήμασταν εδώ για να το συζητάμε» δήλωσε ο επικεφαλής της έρευνας, «ίσως τα αποτελέσματα του BICEP2 περιέχουν κάποιο σφάλμα. Αν όχι θα πρέπει να υπάρχει κάποια άλλη-άγνωστη ακόμα-διαδικασία η οποία εμποδίζει το Σύμπαν από την κατάρρευση. Αν τα αποτελέσματα του BICEP2 παρουσιάζονται σωστά, μας λένε ότι υπάρχει μια νέα σωματιδιακή φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο (standard model)».

Πηγή: Royal Astronomical Society (RAS)

Δευτέρα, 23 Ιουνίου 2014

Βρέθηκαν στοιχεία απευθείας διάσπασης του μποζόνιου Higgs σε φερμιόνια

Για πρώτη φορά επιστήμονες από το πείραμα CMS στον LHC του CERN πέτυχαν στα ευρήματα στοιχεία διάσπασης του μποζόνιου Higgs σε δυο φερμιόνια. Προηγουμένως το σωμάτιο Higgs μπορούσε να ανιχνευθεί μόνο δια μέσου της διάσπασης σε δυο μποζόνια. Από τους επιστήμονες θεωρείται πως αυτό είναι ένα κύριο βήμα «εμπρός», επειδή σύμφωνα με τον καθηγητή Vincenzo Chiochia του Ινστιτούτου Φυσικής της Ζυρίχης, «τώρα γνωρίζουμε ότι το σωμάτιο Higgs μπορεί να διασπαστεί και στα δυο, μποζόνια και φερμιόνια, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να αποκλειστούν ορισμένες υποθέσεις που προβλέπουν ότι το σωμάτιο Higgs δεν οδηγεί σε φερμιόνια». Ως ομάδα στοιχειωδών σωματίων τα φερμιόνια συγκροτούν την ύλη, ενώ τα μποζόνια δρουν ως φορείς αλληλεπιδράσεων μεταξύ των φερμιονίων.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard model) της σωματιδιακής φυσικής, η ένταση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των φερμιονίων και του πεδίου Higgs πρέπει να είναι ανάλογη με τη μάζα τους. «Αυτή η πρόβλεψη επιβεβαιώθηκε», δήλωσε ο Chiochia, «μια ισχυρή ένδειξη ότι το σωμάτιο που ανακαλύφθηκε το 2012 πραγματικά συμπεριφέρεται όπως προτείνεται από τη θεωρία για το σωμάτιο Higgs».

Οι ερευνητές ανάλυσαν τα δεδομένα που συνέλεξαν στο LHC μεταξύ των ετών 2011 και 2012, συνδυάζοντας τις διασπάσεις του Higgs σε bottom quarks και tau leptons, και τα δυο να ανήκουν στην ομάδα των φερμιονίων. Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι μια συσσώρευση από αυτές τις διασπάσεις συμβαίνει σε ένα σωμάτιο Higgs με μάζα κοντά στα 125 GeV (γιγα-ηλεκτρονιοβόλτ) με στατιστική σημαντικότητα των 3,8 σ. Αυτό σημαίνει ότι η πιθανότητα να οφείλεται μόνο στη διακύμανση του υποβάθρου είναι περίπου μια στις 14000. Στη σωματιδιακή φυσική μια ανακάλυψη κρίνεται ότι επιβεβαιώνεται από μια σημαντικότητα 5σ.

Τρεις διαφορετικές διαδικασίες μελετήθηκαν όταν οι ερευνητές ανάλυσαν τις διασπάσεις του Higgs σε ταυ σωμάτια. Επειδή το σωμάτιο Higgs έχει εξαιρετικά σύντομο χρόνο «ζωής», δεν μπορεί να ανιχνευτεί απευθείας, αλλά μάλλον μόνο μέσω των προϊόντων των διασπάσεων. Τα bottom quarks και τα ταυ έχουν ωστόσο αρκετά μακρύ χρόνο «ζωής» για να μετρηθούν απευθείας στον ανιχνευτή του πειράματος CMS.

Πέμπτη, 19 Ιουνίου 2014

Η οικογενειακή βία αφήνει γενετικά αποτυπώματα στα παιδιά

Είναι κοινός τόπος και έχει επανειλημμένα καταγραφεί, κυρίως από όσους ασχολούνται με την ψυχική υγεία των νέων, ότι η οικογενειακή βία έχει σοβαρές επιπτώσεις την ανάπτυξη των παιδιών. Αυτός ο «κοινός τόπος» επιβεβαιώνεται πλέον από το σημαντικό εύρημα ότι η βία έχει επιπτώσεις στο ίδιο το DNA των παιδιών που υφίστανται ή ζουν σε περιβάλλον που υπάρχει βία.

Τα ευρήματα μιας νέας μελέτης που έγινε στην ιατρική σχολή του Πανεπιστημίου Tulane, ένα ιδιωτικό πανεπιστήμιο στη Νέα Ορλεάνη, δείχνουν ότι τα παιδιά από διαλυμένες οικογένειες από οικογενειακή βία ή τραυματισμό, είναι περισσότερο πιθανό ότι θα εμφανίσουν σημάδια φθοράς στο DNA τους.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι παιδιά από οικογένειες που επηρεάζονται από βία, αυτοκτονία ή φυλάκιση ενός μέρους της έχουν σημαντικά πιο κοντά τελομερή (κυτταρικός δείκτης γήρανσης) από εκείνα που ζουν σε ένα σταθερό οικογενειακό περιβάλλον. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν on line στο τελευταίο τεύχος του περιοδικού Pediatrics.

Τα τελομερή είναι καλύμματα στις άκρες των χρωμοσωμάτων που τα συντηρεί από συρρίκνωση όταν τα κύτταρα αναπαράγονται. Κοντύτερα τελομερή συνδέονται με υψηλότερο ρίσκο για καρδιακές ασθένειες, παχυσαρκία, γνωστική απόκλιση, διαβήτη, νοητική ασθένεια και φτωχά αποτελέσματά στην τομέα της υγείας κατά την ενηλικίωση. Οι ερευνητές πήραν γενετικά δείγματα από 80 παιδιά της Νέας Ορλεάνης, ηλικιών από 5 μέχρι 15 χρονών και πήραν συνεντεύξεις από τους γονείς  σχετικά με τα οικογενειακά τους περιβάλλοντα  και την έκθεση σε δυσμενή γεγονότα στη ζωή τους.

Όπως δήλωσε η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Dr. Stacy Drury, διευθύντρια του Behavioral and Neurodevelopmental Genetics Laboratory στο πανεπιστήμιο Tulane: «Τα επίπεδα άγχους της οικογένειας, όπως η παρουσία στον τραυματισμό ενός μέλους της, διαμόρφωσαν ένα περιβάλλον που επιδρά στο DNA μέσα στα κύτταρα των παιδιών. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των εκθέσεων αυτών των παιδιών κατά τη διάρκεια της ζωής τους, τόσο πιο κοντά ήταν τα τελομερή τους και αυτά παρατηρήθηκαν μετά από τον έλεγχο πολλών άλλων παραγόντων, όπως η κοινωνικοοικονομική κατάσταση, η εκπαίδευση της μητέρας, η ηλικία των γονέων και η ηλικία του παιδιού.»

Η μελέτη βρήκε ότι το φύλο μετριάζει την επίδραση της οικογενειακής αστάθειας. Τραυματικά οικογενειακά γεγονότα ήταν περισσότερο επιβλαβή στα νέα κορίτσια που έχουν περισσότερες πιθανότητες να έχουν κοντύτερα τελομερή. Υπήρξε επίσης ένα φαινόμενο, που προκάλεσε έκπληξη, προστασίας για τα αγόρια: Μητέρες οι οποίες είχαν υψηλότερο επίπεδο εκπαίδευσης είχαν μια θετική συσχέτιση με το μήκος του τελομερούς, αλλά μόνο σε αγόρια κάτω των 10.

Εν κατακλείδι, η μελέτη υποστηρίζει ότι το οικογενειακό περιβάλλον είναι ένας σημαντικός στόχος για παρέμβαση, ώστε να μειωθούν οι βιολογικές επιδράσεις των αντιξοοτήτων στις ζωές των μικρών παιδιών.

Στον πυρήνα το «νετρονιακό δέρμα» μοιάζει να είναι πολύ μαλακό

Οι βαρείς πυρήνες τυπικά έχουν ένα εξωτερικό στρώμα πλούσιο σε νετρόνια. Οι φυσικοί έχουν μετρήσει το πάχος του αποκαλούμενου «νετρονιακού δέρματος» με σκέδαση επί των πυρηνικών στόχων σωματίων μεγάλης μάζας. Μια νέα μέτρηση είναι σε θέση να δώσει ακόμη περισσότερες πληροφορίες για το «δέρμα», με τη χρήση φωτονίων-για πρώτη φορά-ως εργαλεία έρευνας. Τα υψηλής ακρίβειας αποτελέσματα, που δημοσιεύονται στο Physical Review Letters, δείχνουν ότι το «δέρμα» γύρω από πυρήνα μολύβδου δεν έχει μια αυστηρά καθορισμένη επιφάνεια, αλλά αντί αυτής είναι κάτι σαν «μαλακή» σφαιρική άλω.

Το «νετρονιακό δέρμα» προκύπτει εξ αιτίας της κατανομής των νετρονίων, που εκτείνεται (σε ακτίνα) πολύ πιο έξω από την κατανομή των πρωτονίων. Οι φυσικοί-είναι φυσικό-θα επιθυμούσαν να κατανοήσουν καλύτερα πώς διαφέρουν αυτές οι κατανομές, επειδή αυτή η γνώση ανοίγει ένα παράθυρο για την κατανόηση των σύνθετων ισχυρών αλληλεπιδράσεων που κρατούν μαζί πυρήνες, όπως στις πιο εξωτικές δομές όπως αυτές των άστρων νετρονίων. Η κατανομή των πρωτονίων μετρήθηκε με ακρίβεια με σκέδαση ηλεκτρονίων, αλλά η κατανομή των νετρονίων αποδείχθηκε πολύ «σκληρή» στην παρατήρηση. Προηγούμενα πειράματα εκτίμησαν το πάχος του «νετρονιακού δέρματος» με βομβαρδισμό των πυρήνων με πρωτόνια, πιόνια και άλλα «βαριά» σωμάτια.

Τώρα χρησιμοποιήθηκαν φωτόνια. Τα φωτόνια έχουν ένα πλεονέκτημα έναντι των άλλων πυρηνικών «ανιχνευτών» στο ότι μπορούν να διεισδύσουν βαθύτερα και να δώσουν περισσότερες πληροφορίες για την εσωτερική δομή. Στις εγκαταστάσεις του Mainz Microtron (MAMI) στη Γερμανία, οι ερευνητικές ομάδες του ερμητικού (ή 4π) σωματιδιακού ανιχνευτή Crystal Ball και A2 Collaborations, πυροδότησαν δέσμη φωτονίων με ενέργεια εκατοντάδες μέγα-ηλεκτρονιοβόλτ (MeV) προς στόχο που περιείχε το ισότοπο μόλυβδος-208. Οι ερευνητές συνέλεξαν «γεγονότα» στα οποία η σύγκρουση φωτονίου-πυρήνα παρήγαγε ένα ουδέτερο πιόνιο. Η ανάλυση των γωνιών με τις οποίες εκπέμπονται τα πιόνια έδειξαν ότι το «νετρονιακό δέρμα» είχε πάχος 0,15 femtometers, που είναι σε μια καλή συμφωνία με τις προηγούμενες εκτιμήσεις. Επιπρόσθετα, η ομάδα των ερευνητών βρήκε ότι η πυκνότητα των νετρονίων μειώνεται πιο αργά με την απόσταση από ότι η πυκνότητα των πρωτονίων. Ορισμένα μοντέλα της δομής του πυρήνα ταιριάζουν με αυτές τις ιδιότητες που παρατηρούνται στο «νετρονιακό δέρμα», ενώ κάποια άλλα όχι και μπορεί επομένως να αποκλειστούν.

Μερικές διευκρινήσεις:
Ο Mainz Microtron (MAMI) είναι ένας επιταχυντής για δέσμες ηλεκτρονίων που λειτουργεί στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Mainz και χρησιμοποιείται για πειράματα της φυσικής αδρονίων.

Η κρυστάλλινη μπάλα (Crystal Ball) είναι ένας ανιχνευτής σωματίων που περικλείει ερμητικά την περιοχή του επιταχυντή όπου συμβαίνουν οι συγκρούσεις.

Ο μόλυβδος-208 (Pb-208), είναι ένα από τα τέσσερα ισότοπα του μολύβδου (τα άλλα τρία είναι: Pb-204, Pb-206, Pb-207). Τα τρία, Pb-206, Pb-207 και Pb-208, είναι το τέλος των σειρών διασπάσεων του Ουρανίου-238, του Ακτινίου (από το Ουράνιο-235) και του Θορίου αντίστοιχα.

Το 1 μέγα-ηλεκτρονιοβόλτ (MeV) ισοδυναμεί με 1 εκατομμύριο ηλεκτρονιοβόλτ (eV).

Το 1 femtometer ισοδυναμεί με 1 εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του μέτρου.