Ученые разработали устройство, позволяющее впервые измерить давление, которое создает одна отдельная частица. Для этого они использовали устройство, где кремниевая бусинка размером примерно с половину самого маленького вируса удерживается на месте лазерным лучом. Когда какая-нибудь частица сталкивается с этой бусинкой, та меняет отраженный свет, и прибор это замечает.
Традиционно физики измеряют давление как усредненный эффект от огромного количества ударов частиц о поверхность. Такой подход работает в обычных условиях, но становится бесполезным в ситуациях, когда давление падает до экстремально низких значений, например в вакуумных камерах, приближенных к идеальному вакууму. В таких условиях частиц становится так мало, что усреднение теряет смысл, и для точного измерения приходится отслеживать каждое столкновение по отдельности. Разработанное устройство впервые позволяет делать это в реальном времени.
Чтобы подтвердить эффективность установки, команда поместила ее в камеру со сверхвысоким вакуумом. Затем ученые систематически пропускали через камеру частицы трех различных газов и фиксировали каждое отклонение лазерной бусинки. На основе полученных данных они рассчитали давление и сравнили результаты с математическими предсказаниями, которые моделировали поведение газов. Совпадение оказалось полным, что доказало правильность работы прибора.
По словам одного из авторов работы, теперь можно даже пересмотреть стандарты сверхвысокого вакуума. Там, где обычные датчики уже показывают ноль, поскольку неспособны уловить отдельные редкие частицы. Новый метод позволяет просто посчитать число столкновений и тем самым измерить давление.
Аналогичные приборы уже разрабатываются для астрономических целей. В частности, с их помощью можно изучать межзвездную среду — области пространства между звездами, где газ находится под крайне низким давлением и ускользает от регистрации обычными датчиками. Понимание состава и поведения этого газа важно для моделей формирования звезд и эволюции галактик.
Однако главная амбиция создателей устройства лежит в области фундаментальной физики. Они надеются применить свою технологию для обнаружения гипотетических частиц, известных как стерильные нейтрино. В отличие от обычных нейтрино, которые редко, но все же взаимодействуют с материей, стерильные нейтрино практически не проявляют себя ни в каких реакциях, что делает их чрезвычайно неуловимыми.
Если такие частицы действительно существуют, они могли бы объяснить многолетние аномалии в экспериментах по физике элементарных частиц. Более того, стерильные нейтрино являются одним из самых убедительных кандидатов на роль компонента темной материи — загадочной субстанции, которая составляет значительную часть массы Вселенной, но до сих пор не обнаружена прямыми методами.
Читайте также: «Ученые нашли причину постоянной ошибки в квантовых вычислениях».