Что интересного происходит в науке Голосов: 1 Адрес блога: http://igorivanov.blogspot.com/ Добавлен: 2008-05-17 13:57:21 блограйдером Lurk

Детектор ICARUS измерил скорость нейтрино

2012-03-16 05:35:00 (читать в оригинале)

В сентябре прошлого года коллаборация OPERA сообщила о наблюдении сверхсветового движения нейтрино. Другие нейтринные эксперименты посмотрели на это большими глазами и пообещали перемерять скорость нейтрино на своих установках. Это, конечно, правильно, но это уже будут другие эксперименты, в других условиях. А хотелось бы, так, на всякий случай, перепроверить именно OPERA. Для этого, в идеале, нужно поставить в ту же подземную лабораторию Гран Сассо другой аналогичный нейтринный детектор, который бы отлавливал те же нейтрино, выпущенные из ЦЕРНа.

Так вот, в кустах оказался рояль такой детектор уже там стоит — ICARUS T600 (T600 обозначает, что рабочим веществом является 600 тонн жидкого аргона). Он заработал в 2010 году и даже по-своему отметился в истории со сверхсветовыми нейтрино: в октябре он рапортовал об отсутствии черенковского излучения, которое должны были бы интенсивно излучать эти сверхсветовые нейтрино. Это как бы опровергало данные OPERA, но только косвенно (да и к тому же не все были убеждены, что связь настолько однозначная).

А сейчас тот же ICARUS измерил скорость нейтрино напрямую. Люди там не стали тратить два года на то, чтобы перемерять расстояние от ЦЕРНа и до детектора или синхронизовать время. Они просто взяли результаты измерения времени и расстояния, выполненные OPERA. Зато точные моменты прихода нейтрино они измеряли на своей аппаратуре.

В течение двух недель, с 21 октября по 6 ноября прошлого года ЦЕРН провел специальный сеанс, в котором он «пулял» нейтринные сгустки в специальном режиме, очень короткими выстрелами длительностью около 3 нс. Это было сделано как раз с целью отсечь возможные погрешности OPERA, связанные с фронтами длинного сигнала (подробнее см. в новости и у меня в блоге). OPERA, кстати, тогда сообщила, что новые измерения за эти две недели подтверждают сверхсветовые нейтрино (а на самом деле это значит, что была устранена лишь одна из возможных проблем).

В течение тех двух недель детектор ICARUS тоже набирал данные и поймал семь нейтрино (подробная статистика по каждому их этих семи событий содержится в статье). Результат таков: разница между временем прилета нейтрино и ожидаемым временем прихода светового сигнала в пределах погрешности равна нулю. Распределение по этой разнице времен для ICARUS и для OPERA показано на рисунке.

Распределение по разнице между временем прихода нейтрино и  ожидаемым временем прихода  светового сигнала (изображение из статьи коллаборации ICARUS).

Таким образом, ICARUS прямо опровергает данные OPERA и подтверждает ожидания теории относительности.

Мне, правда, не очень понятно, изменится что-либо в синхронизации времени в свете недавно найденных ошибок в OPERA. Так что проверки на других установках всё равно будут полезны. Но, по-видимому, OPERA — всё.

---

Дополнение про «летающие мушки»

2012-03-11 01:09:00 (читать в оригинале)

Когда я писал свой прошлый пост про близорукость, я почему-то был уверен, что всякие плавающие пятна и волоски, которые видны внутри кружочка боке, — это «мусор» на поверхности глаза. Но мне потом в комментариях неоднократно говорили, что, во-первых, видно их и просто при взгляде на однородно освещенную поверхность, а во-вторых, находятся они вовсе не на поверхности глаза, а внутри стекловидного тела. Я немножко почитал и поделал простые опыты с собой, и вот что я скажу.

floaters или более учёно Posterior Vitreous Detachment, по-русски говорят «летающие мушки» и «деструкция стекловидного тела». Они хорошо известны офтальмологам потому что, во-первых, пациенты часто жалуются на них, а во-вторых, потому что резкое увеличение этих мушек может быть предвестником серьезных проблем с глазами, например, отслоения сетчатки. Из ссылок я еще приведу сайт мушек.нет, краткое руководство для врачей по тому, как отличать безвредных мушек от опасных, и программу-симулятор этих мушек.

Во-вторых, раз я вижу мушек и просто так, на однородном фоне, и внутри боке, как я описывал в прошлом посте, я их могу их сравнить. И выясняется, что внутри боке кроме них есть и другие вкрапления. Вот про эти вкрапления я уж точно уверен, что они на поверхности, потому что

1. я могу их сморгнуть (а мушки только дергаются, но не пропадают),
   
2. я могу их сдвинуть неполным морганием,
   
3. они неподвижны при движении глаз туда-сюда (а мушки от этого плавают).
   

Эти дополнительные «дефекты» внутри боке отличаются от мушек и визуально. Они как правило мельче и круглые (а мушки крупнее и некруглые). Именно они дают отличные многократные дифракционные кольца, гораздо более богатые, чем в пункте 2 в прошлом посте (а от мушек дифракция более размытая). И кроме того, они намного контрастнее мушек; иногда контраст достигает 100%, т.е. в центре геометрическое тени от крупного круглого пятнышка света просто не видно, оно черное.

То, что при взгляде на однородно освещенную стену мушки выглядят как простые тени, без четко выраженной дифракции, а также что не видно этих мелких пятнышек на поверхности, в общем-то неудивительно. Для дифракции нужна досоаточная поперечная длина когерентности света, т.е. маленький угловой размер источника света. А однородно освещенная стена, наоборот, это истчник света очень большого углового размера. Поэтому некоторое преимущество у близорукого человека в этом всё-таки есть :)

Ну и кроме всего этого, я вижу внутри боке и общую рябь, которая остается неподвижной при любых манипуляциях. Вероятно, это какие-то оптические неоднородности внутри хрусталика или других твердых частей глаза.

Кстати, вот тут я нашел описание простого опыта, которые позволит сказать, где именно находятся дефекты — близе к зрачку или близе к сетчатке. Надо взять непрозрачный, например алюминевый лист, сделать в нем очень маленькое отверстие, в темноте поднести его близко к глазу, а с той стороны осветить ярким светом. Глаз пр этом должен смотреть вдаль, а не на дырочку, и тогда эта точка расплывается в круглое боке. Так вот, теперь надо плавно отдалять экран с дырочкой от глаза и смотреть, что происходит с размерами дефекторов. Если они на поверхности глаза, то их угловой размер должен уменьшаться пропорционально уменьшению размера самого пятна боке. Т.е. относительно боке они не изменяются. А если они близко к сетчатке, то их угловой размер почти не изменится, т.е. относительно боке они будут расти. Я еще это не проверял :).

Кстати, насчет разложения в спектр — я забыл сказать в прошлом посте, что спектры у меня получаются такими сильными, потому что у меня очки с высокоиндексными стеклами, у них показатель преломления равен 1,8.

---

Близорукость и физика

2012-03-07 02:09:00 (читать в оригинале)

Если внимательно присмотреться к моему фото в блоге, то можно заметить, что у меня довольно сильная близорукость (в зависимости от глаза и от направления от −12 до −14). В целом это, конечно, неудобно, но у близоруких людей тем не менее есть некоторые оптические преимущества перед «обычными» людьми — мы можем видеть некоторые вещи, которые обычные люди не видят (или не замечают). Так что вот небольшой рассказ с картинками про то, как вижу я. :)

Я конечно не могу приложить фотографии того, как я вижу в реальности, поэтому я буду всё иллюстрировать на фотографических эффектах.

источник):


Применим к нему gaussian blur и получим вот такое изображение:


Так вот, это совершенно непохоже на то, как я вижу без очков! А вижу я примерно вот так (источник):


Отличие в том, что при обычной размазке светлые и темные участки смешиваются в нечто среднее. А при эффекте боке яркие точки расплываются в кружочки, довольно чётко очерченные между прочим, которые просто наползают на темные области. При подходящем освещении это бывает очень красиво. :)

2. Дифракция. На фотографии с боке кружочки выглядят маленькими и однородными. На самом деле при моем зрении эти кружочки большие (примерно 4-5 градусов), и в каждом из них я вижу богатый «внутренний мир». На каждом кружочке есть точки, пятнышки, полоски, иногда плавные, иногда четко очерченные. Примерно вот так, только еще богаче (источник):


Это проявления микроскопических пылинок и ворсинок на поверхности глаза, а также неоднородностей на границах раздела уже где-то в глубине глаза (они дают неподвижную «рябь»). Мне видно, как они эти пылинки плывут по поверхности глаза, как они резко дергаются при моргании и т.д. И что самое красивое — на всех кружочках в поле зрения картина примерно одна и та же, все эти плавные движения происходят синхронно по всему полю зрения. Но изображения в двух глазах, конечно, разные.

Концентрические кольца и прочие узоры, которые окружают пылинки и прочие границы — это проявление дифракции света. Да, дифракция действительно легко видна невооруженным глазом, по крайней мере близоруким людям! Более того, иногда даже видно пятно Араго-Пуассона (максимум яркости в центре геометрической тени) у совсем мелких пылинок (они кстати, на этой фотке видны). За всей этой «жизнью» иногда бывает забавно наблюдать.

3. Неравномерная освещенность. Пятнышко на предыдущем фото всё равно освещено более-менее равномерно. А я в реальности вижу пятна, яркость которых меняется от края к краю. Причем в двух глазах этот градиент яркости совсем не совпадает. Я попытался примерно изобразить то, как я реально вижу расплывчатое пятнышко без очков:


Это, кстати, создает дополнительные проблемы: два глаза «не знают», как им совмещать эти изображения, то ли по контурам кружочка, то ли по центру яркости.

Откуда у меня это берется, я так и не знаю.

4. Расстояние комфортного зрения. При близорукости плохо видны далекие предметы, но зато всё отлично видно вблизи. Более того, видно намного комфортнее, чем для обычного человека, потому что мне не требуется напрягать глаза. У меня расстояние комфортного зрения — 7 см. Т.е. я расслабляю глаз, словно я собираюсь смотреть вдаль, и отлично рассматриваю мельчайшие детали у предмета на расстоянии 7 см. Поскольку я без проблем могу рассматривать предметы так близко и поскольку с сетчаткой у меня всё в порядке, у меня получается выигрыш в «ближней зоркости».

5. Спектральный анализ. И наконец, супервозможность — я умею раскладывать свет в спектр! Посмотрю так боком на источник света и вижу отдельные линии излучения и т.д. Вот примерно так, только не столь четко:


Это умение, конечно, получается благодаря очкам. На краю стекла они выступают в роли призмы, которая раскладывает свет в спектр, и из-за того, что у меня большой минус, это разложение довольно сильное. Я без проблем отличаю лампы накаливания с их сплошным спектром от газовых ламп, вижу отдельные узкие линии излучения, легко отличаю, например, истинно желтый огонек от зеленого+красного. Ну а вкупе с разверткой по времени, которую я тоже умею делать невооруженным взглядом, мне становится доступной времени-разрешенная спектроскопия! В разумных пределах, конечно. :)

Кстати, еще один эффект, связанный с дисперсией света в сильных очках — огоньки разных цветов кажутся мне находящимися на разном расстоянии. При бинокулярном зрении (т.е. при взгляде двумя глазами) это вообще приводит к чудесным иллюзиям. Скажем, синий светодиод на поверхности какого-нибудь девайса для меня выглядит так, словно он висит в воздухе в нескольких сантиметрах над подверхностью. А разноцветная светящаящая неоновая вывеска для меня выглядит смонтированной на нескольких плоскостях.

К сожалению, на этом сверхвозможности близорукости исчерпываются. А жаль, ведь у света есть еще много характеристик :)

---

Что именно сейчас утверждает коллаборация OPERA?

2012-02-24 00:54:00 (читать в оригинале)

По поводу сегодняшних новостей про эксперимент OPERA, которые разлетелись по всем СМИ, я не хотел ничего писать (поскольку реального повода что-то писать пока и нет). Но вот увидел в блоге Матта Страсслера (Of Particular Significance) замечательную диаграмку, которой хочу поделиться. Диаграмка эта не про сам эксперимент, а про то, как его сейчас освещают СМИ.

Что именно сейчас утверждает коллаборация OPERA? Автор изображения Matt Strassler.

По вертикали отложено время, на которое нейтрино якобы опережают световой сигнал. Пять колонок — от a) до e) — разные варианты развития или изложения событий.

a) (синим цветом): Первоначальное заявление коллаборации OPERA: опережение составляет примерно 60 нс и с высокой статистической значимостью отличается от нуля.

b) (розовым цветом): То, что сейчас передают практически все СМИ — якобы найдена ошибка, которая полностью сводит на нет 60-наносекундное опережение. Т.е. утверждается, что измеренная точка сдвинулась вниз (без ухудшения точности) как раз настолько, чтоб измерение полностью совпадало с ожиданиями.

Однако в реальном сообщении OPERA, которое передает ЦЕРН, ничего такого не утверждается. В нем говорится о наличии двух неучтенных ранее проблем, но никакого вердикта не выносится. Поэтому возможны в принципе разные ситуации, например:

• c): значение остается примерно тем же, но ухудшается точность. При этом результат всё еще отличается от ожиданий, но не столь статически достоверно.
  
• d): точность ухудшается настолько, что уже неважно, есть эти 60 нс или нет — всё в пределах ошибки согласуется с ожиданием.
  
• e): проблема такова, что заявленный результат просто теряет доверие, и требуется полностью переделать эксперимент.
  

Возможны и какие-то еще варианты.

Самое главное, что сейчас, на основании краткого сообщения коллаборации OPERA, нет возможности узнать, какой из этих вариантов верен. Поэтому утверждать так, как утверждают большинство СМИ (вариант b), просто неправильно. К сожалению, все эти оттенки СМИ передавать не умеют — у них, как правило, либо «революционное открытие!», либо «всё окончательно объяснено».

---

Как открывали озеро Восток – 3

2012-02-18 07:24:00 (читать в оригинале)

Последняя часть рассказа про открытие подлёдного озера Восток в Антарктиде по мотивам книги И.А.Зотикова (часть 1, часть 2).

«Озёра»

С самолетами там связана еще одна забавная вещь. Буквально с первых же полетов над Антарктикой (т.е. с конца 1950-х годов) пилоты время от времени замечали на однородном белом фоне снежной пустыни какие-то пятна овальной формы с плавными берегами. Зачастую они были единственными визуальными «зацепками», которые можно было использовать для навигации. Между собой пилоты их так и называли — «озёра». Размеры их оценивались в десяток километров; более точно измерить их было трудно из-за условий наблюдения. Дело в том, что видны эти озера были только при очень низком Солнце и в направлении, противоположном направлению на Солнце. То есть, видны были только те «озёра», которые находились далеко от самолета, около горизонта.

Робинсон проанализировал эти сообщения и в 1960 году в короткой статье высказал предположение, что эти «озёра» представляют собой участки снежного покрова с необычно ровной горизонтальной поверхностью. Несмотря на то, что над Антарктидой лежит (точнее, медленно течёт) многокилометровый ледник, у него тоже есть некий плавный рельеф, с холмами и впадинами (посмотрите рис. 2 в прошлом посте). А эти участки размером в десяток километров были исключительно горизонтальные, и потому при подходящем освещении они (а также их берега) визуально выделялись.

Такая исключительная горизонтальность могла означать, что в этом месте ледник не лежит на скальном основании, а плавает над подлёдным озером.

Вот тут полезно пояснить одну вещь. Сейчас про озеро Восток СМИ пишут много, и иногда они для иллюстрации приводят схему бурения, как например на рис. 1.

Рис. 1. Схема бурения к озеру Восток.

Эта схема, при всей своей информативности (и формальной точности!), «обманывает» читателя в соотношении вертикальных и горизонтальных размеров. На схеме кажется, что сквозь толстый слой льда, который опирается в основном на сушу, люди добурились до маленького озера. В реальности картина с тем же Востоком выглядит скорее так, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Та же картинка, но с соотношением горизонтальных и вертикальных масштабов, более близких к реальности.

Ледник, конечно толстый, но размеры озера намного больше. И поэтому в основной своей массе ледник реально опирается на воду. А это неизбежно означает, что верхняя его поверхность тоже должна быть ровной (в пренебрежении горизонтальным движением ледника). Реальные числа — перепад высот порядка метра на километры(!) дистанции.

Но эти выводы легко делать сейчас, когда много что известно про Антарктиду. А Зотиков в своей книге вновь поражается, что ни он, ни Робинсон тогда, в далеком 1960 году, не выдвинули предположения, что эти «озёра» могут лежать на реальных подлёдных озёрах. Т.е. они пообсуждали эти наблюдения, и всё. Робинсон погиб несколько лет спустя, и уже значительно позже Зотиков пытался найти какие-то данные по местоположению этих «озёр», чтоб сопоставить их с результатами радиолокации, но насколько я понимаю, безрезультатно.

Спутниковые наблюдения

Спутниковые наблюдения революционизировали науки о Земле. Это, разумеется, коснулось и исследований Антарктиды. Европейский спутник ERS-1, запущенный в 1991 году, проводил альтиметрические измерения и просканировал в том числе и значительный кусок Антарктиды. В 1993 году Ридли обработал полученные к тому моменту данные, которые позволили восстановить антарктический рельеф с точностью около полуметра. Площадь «пиксела» на этой карте Антарктиды составляла 10 км², что более чем достаточно для надежного обнаружения озера Восток.

Рис. 3. Рельеф Антарктиды в районе озера Восток по данным спутника ERS-1. Линии уровня проведены через каждые два метра. Изображение из книги И.А.Зотикова.

И оно действительно бросалось в глаза. На рис. 3 показан рельеф антарктического ледника вблизи озера; линии уровня проведены через каждые два метра высоты. Посреди склона ледника обнаружилось вытянутое плато размером примерно 50 на 200 км с аномально плоским рельефом, со средним наклоном примерно 1 метр на 5 км.

Забавно, что станция Восток находится буквально в самом начале озера (когда выбирали место для будущей станции, разумеется, ни о чем подобном не догадывались). Поэтому непосредственно под станцией озеро действительно не слишком широкое (именно поэтому рис. 1 формально правильный, если взять поперечное направление).

Консенсус

После этих спутниковых данных существование подлёдной водной массы вблизи станции Восток стало практически очевидным. Вопрос тут только в том, насколько это озеро глубоко и не забилось ли оно всякой галькой и осадочными породами, которые движущийся поперек озера лёд натащил в него. В 1993 году в Кембридже был организована однодневная рабочая встреча того небольшого тогда коммьюнити, которое занималось этим озером. После обсуждений расчетов и данных было признано, что скорость наноса материала в озеро слишком мала для того, чтобы забить его полностью. (Глубина озера тогда была неизвестна, но было зато известен типичный рельеф скального основания в Восточной Антарктиде на масштабах озера, так что долины глубиной в несколько сот метров можно было ожидать).

Но тогда ещё более остро встал другой вопрос: почему же Капица на своих сейсмограммах 1964 года озеро не увидел? Может быть, там всё-таки была водная поверхность, а он лишь неправильно их интерпретировал? Поскольку Капица тоже присутствовал на встрече, люди попросили его снова проанализировать свои данные. Он начал тоже склоняться к этому варианту и сказал, что конечно же данные перепроверит по возвращению в Москву.

Правда, как рассказывает Зотиков, тут тоже не обошлось без приключений. Публично пообещав перепроверить данные, Капица также оговорился, что старые сейсмограммы у него хранились на даче. А на даче у него как-то случился пожар, и часть дома сгорела. Но в этот раз всё обошлось — Капица-таки нашел на даче эти сейсмограммы и, вновь обработав результаты (30 лет спустя!), он согласился, что на них виден 500-метровый слой именно воды, а не осадочных пород. В сентябре 1994 года Капица сделал доклад с новой интерпретацией своих данных, полностью сняв все вопросы. А у программы бурения на станции Восток, которая длилась уже не одно десятилетие, появилась новая цель — добуриться до озера.

И уже заключительным аккордом стала та самая статья в Nature 1996 года, с которой я начал рассказ. И авторами её по справедливости стали именно те люди, которые — каждый по-своему — открывали это озеро на протяжении нескольких десятилетий: Капица, Зотиков, Робин, Ридли и Зайгерт.

Дальше, конечно, можно много рассказывать и про само озеро, но это уже отдельная тема и тут я вновь рекомендую книжку Игоря Алексеевича Зотикова «The Antarctic subglacial lake Vostok». А я лишь ограничился пересказом истории открытия, которая мне показалась очень любопытной.