变形中微子有望破解反物质之谜,美科学家称亚马逊

在体积上,超级地球比典型的类地行星要大,还具有与地球相似的物理和其他动力学特性,所以也相对容易被探测到。

罗切斯特大学物理学家Konosuke
Iwamoto在出席ICHEP时表示,两束中微子的表现略有不同。

亚马逊地区正面临新一轮开发浪潮。巴西和秘鲁等亚马逊国家认为,广阔的雨林和河流能为其提供所需的能源和自然资源。数以百计的基础设施——水坝、公路、铁路、管道等,正在被规划。美国弗吉尼亚州乔治:梅森大学生物学家Thomas
Lovejoy表示,随之而来的森林砍伐不仅威胁着这里的生物多样性,还影响了亚马逊作为世界最大陆地碳汇的作用。

此外,随着无人机不断渗透进我们的日常生活,如果有了续航时间更长的电池,无人机也许会变得更加普遍。

20年前,当天文学家发现首个围绕标准恒星旋转的系外行星时,人们十分欢乐却也不解。这颗名为飞马座51b的行星约为木星的一半,但其轨道周期为4个地球日,其轨道与母星的距离比水星与太阳的距离近得多(水星的轨道周期为88个地球日)。

不过,要想达到宣布某些数据为“一项发现”所需要的统计置信度5西格玛,可能需要新一代的中微子实验。

美科学家称亚马逊“临界点”将至

美研发新型锂金属电池:续航时间或延长一倍

7月,一个国际天文学家小组在美国《天体物理学杂志增刊》上报告说,他们分析了开普勒在K2任务期第一年发现的197个行星候选者,结合设在夏威夷的北双子星等地面望远镜的观测,确认其中104颗是行星。如此一来,人类已确认的系外行星已达到3368颗。

参与费米国家加速器实验室NOvA中微子实验的物理学家Keith
Matera称,从那时开始,世界各地的中微子实验如雨后春笋一样冒出,而且科学家也慢慢意识到,或许可以这一粒子为突破口获得新的发现和解释。“它们是标准模型中的缺口。”他说。

Lovejoy是美国国务院和白宫为促进该国和其他国家的科技合作而任命的5位科学使者之一。他计划利用自己的新角色促进人们对亚马逊地区的气候动力学的理解,从而减少森林砍伐,阻止这里从一个“净碳汇”向一个“净碳源”过渡。

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6目前使用的就是锂离子电池,可提供电量为1.8安培小时。而SolidEnergy电池的体积只有前者的一半,电量却高达2.0安培小时。

理论学家目前已提出可能出现的两种机制。首先是迁移理论,巨行星形成后,大量物质被遗留在盘状物中。行星的重力会扭曲盘状物,产生高密度区域,这反过来又将其慢慢拽向母恒星。

无论如何,物理学家几乎以年为单位获得各种中微子研究突破,Gouvêa表示,“对于粒子物理学而言,这种变化是非常快的”。

“有预计称,森林砍伐达40%是临界点。我认为合乎情理的是,当雨林砍伐约为20%时,临界点就会到来。”Lovejoy说。他还表示,对于亚马逊地区开发而言,如何设计可持续的基础设施和更好地理解生物多样性分布格局十分重要。

2012年,SolidEnergy研发团队赢得了麻省理工价值10万美元(约合66.4万元人民币)的创业大赛一等奖,并且闯进了麻省理工清洁能源大奖的决赛。此外,该团队还在白宫举办的国家清洁能源大奖赛上名列第二。

轨道紧密排列的巨行星仍处于共振状态,并受到遥远冰质星子微弱的引力作用。事实上它们的轨道犹如在刀锋上行走,随时可能跌落。外部星子的每次轻微拖曳都微妙地改变着它们的运动。当一颗巨行星脱离与另一颗的共振时,转折点便会来临,平衡状态瓦解、一系列混乱的行星间摄动开始了。摄动是如此剧烈,以至于有一颗甚至多颗巨行星被散射至恒星际空间。

但结果他们发现了32个中微子和4个反中微子。纽约州立大学石溪分校物理学家、T2K实验成员Chang
Kee Jung说:“这表明物质和反物质的振荡方式不一样。”

实际上,为了保护亚马逊雨林,早在2011年,巴西亚马逊研究所就提出了“REED机制”,即“减少砍伐森林和森林退化导致的温室气体排放”。巴西还将进一步保护亚马逊地区的生态环境,以阻止乱砍树木、乱开采矿物和无计划农业占地等行为。

如果该技术确实可行的话,它将面临着广大的发展前景。目前,电动汽车充满电后可以运行200英里。胡启超表示,他们研究的电池体积、重量只有传统电池的一半大,但却可以行驶相同的距离。而如果体积和重量保持不变的话,充满电后的行驶距离便可以达到400英里。

《中国科学报》 (2016-08-25 第3版 国际)

该研究团队预测,如果物质和反物质的行为没有差异,那么,他们将在探测器内发现24个电子中微子和7个电子反中微子——因为反物质更难生成和探测。

《中国科学报》 (2016-08-24 第3版 国际)

胡启超指出,在过去几十年中,研究人员一直在试图研发可充电式锂金属电池,但成果寥寥。锂金属很难与电池电解液发生反应。而且,如果要增加电池的安全性,就要牺牲电池的能量性能。

实际上,这些行星的轨道周期比日地轨道周期更短,并且一颗恒星通常有数个超级地球。以开普勒-80系统为例,其中有4颗超级地球,其轨道周期为9天甚至更短。由于超级地球很少存在于共振轨道,因此表明它们未曾迁移,正是形成于目前的位置。

但Jung还指出,尽管T2K和NOvA实验提供的初步结果都表明了同样的观点,但迄今为止的观察可能只是概率事件,如果中微子和反中微子的行为表现一模一样,科学家们也有1/20的机会看见这样的结果。

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胡启超表示,他们最终研究出的电池既像锂金属电池一样能量持久,又像锂离子电池一样安全耐用。

“开普勒”发现,60%类似太阳的恒星都被一个超级地球围绕。NASA天体生物学研究所的Nader
Haghighipour介绍:超级地球目前在宇宙空间的一些天区的特殊地方被发现。

在近日于美国芝加哥举办的高能物理国际会议上,日本科学家表示,还需要收集更多数据才能对此理论进行确认。

有统计显示,由于人为因素,从2003年8月到2010年8月,巴西亚马逊地区的热带雨林减少了约20万平方公里,而与400年前相比,亚马逊热带雨林的面积整整减少了一半。据分析,如果继续无节制地破坏亚马逊雨林,到2020年,雨林将达到退化的临界点,水土流失将达到最强级别,泥石流等自然灾害将会更加频繁,并且每年将有超过0.3万平方公里的20厘米厚表层土被冲入大海。

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研究行星构造的理论学家曾认为,这样大小的行星无法发展出距新生恒星如此紧密的轨道范围,因此被认为是一种异常现象。但很快,科学家又发现了更多“热木星”(如巨蟹座55和牧夫座T),这迫使天文学家开始研究行星的轨道迁移现象并修改之前的行星形成理论。

变形中微子有望破解反物质之谜

在接受《科学》杂志采访时,Lovejoy表示,“不协调的基础设施和水循环之间存在交集。通过蒸腾作用,亚马逊雨林制造了自己一半的降雨。而森林采伐会破坏这里的水循环,进而影响到气候体系。2005年、2010年和当前的干旱,正是潜在临界点的标志。”

新浪科技讯
北京时间8月24日消息,研究人员称,最新的锂金属电池提供的电量将是目前智能手机、无人机和电动汽车电量的两倍,续航时间也将比现在翻上一番。

天文学家也曾借助开普勒望远镜发现了一颗和地球体积近似、位于宜居带中的系外行星开普勒-186f。不过,由于它环绕一颗红矮星,因此只是地球的“堂兄弟”。

因此,科学家需要更多数据对这一信号进行验证,T2K本轮实验将运行到2021年,届时它将获得5倍多的数据,但该研究团队将需要大约13倍的数据,才能将统计置信度提升到3西格玛。

Thomas Lovejoy 图片来源:Slobodan Randjelovic

该电池的研发者、麻省理工学院分立出来的SolidEnergy
Systems计划于2017年初将这款电池安装到智能手机和可穿戴设备上,并在2018年之前延伸至电动汽车领域。而到了今年11月,这款电池就可以在无人机上使用了。

但“热木星”的发现改变了这一切。它显示传统理论存在严重缺陷。“热木星”的轨道周期只有几天,在如此靠近母星的炙热之地,不可能有冰存在,因而这些气体巨行星的存在完全相悖于经典理论。为了调和这个矛盾,理论天文学家认定这些行星首先形成于离恒星更远的地方,后来以某种方式向内迁移至现在的轨道。

在粒子物理学领域,20世纪70年代建立的标准模型久经考验而屹立不倒。但上世纪90年代,有一种粒子公然挑战其规则,它就是中微子。根据理论,中微子不具有质量,但1998年,物理学家利用日本超级神冈探测器,发现中微子具有质量——尽管不足电子的十亿分之一。

“这款新电池的能量密度是锂离子电池的两倍,因此体积只需锂离子电池的一般大,就能达到相同的放电时间。或者我们也可以让体积不变,续航时间则会比锂离子电池长一倍。”该电池的共同研发者、SolidEnergy公司的CEO
胡启超说道。

行星与其母星的构造的传统模型能追溯到18世纪。当时,科学家认为,缓慢旋转的尘埃云可能在自身重力作用下崩塌。大部分物质会形成一个球体,当其核心足够稠密和炽热时,就会成为一颗恒星。重力和角动量会将原恒星周围的其他物质聚集在一个平面盘状物中。而尘埃是将该盘状物变成一系列行星的关键。尘埃有微小的铁和其他固体组成,当它们在动荡的盘状物中旋转时,这些颗粒偶尔发生碰撞,并由于电磁力结合在一起。数百万年后,尘埃团不断增大,最后变为星子。

根据大爆炸理论和粒子物理理论,在宇宙诞生之初,能量转化为同样多的正物质与反物质,这两种物质相遇会发生剧烈爆炸,转化为能量,并归于湮灭。可是目前宇宙中的天体均为正物质,没有发现反物质天体。物理学家观察了一些物质粒子和反物质粒子,如K介子和B介子的行为差异,但并不足以解释物质为何会超越反物质,取得支配地位。

SolidEnergy研发团队使用极薄的锂金属薄膜作为电池阳极,厚度只有传统锂金属阳极的五分之一,比传统的石墨、碳、硅阳极更是薄了几倍、也轻了几倍,这样一来,电池的体积就缩小了一半。研究人员还研发了一种固体和液体混合的电解液,不需要加热就能达到效果。

即便过去的经验能靠得住,建模者仍应该小心翼翼。“自然比我们的理论更聪明。”

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伊隆?马斯克于今年六月宣布,特斯拉已经具备了制造单次充电可行驶400英里的电动汽车的能力,但目前生产这种汽车还不具备经济效益。该公司计划在2025年之前研发出单次充电可行驶500公里的汽车。

这个星体生长过程被称为核吸积。由于很多行星“胚胎”存在于如今的小行星带外侧,那里远离初生恒星的光和热,所以冰能在原行星盘中存在。在这条“雪线”之外,可用来构筑行星的冰非常丰富,于是,“胚胎”大快朵颐,生长出了庞大的身躯。它们产生了实心内核,质量是地球的5~10倍。因为强大的引力场能快速吸收气体和尘埃,形成厚厚的大气层,这个星体很快就成长为木星一类的气体巨行星。

即便如此,这一发现似乎增加了中微子研究的兴趣。这种广泛存在但难以捕捉的粒子,似乎是揭开众多物理学之谜的关键。

一般的电池均使用石墨作为阳极材料,但这款新电池则改用了高能锂金属薄膜,其中含有的离子数量更多,因此提供的电量也更多。通常来说,锂金属电池工作时间较短、也较为不稳定,但研究人员对其进行了改良,将它变成了可充电式电池,使用起来也更为安全。

理论学家正试着追上来。他们在设想行星如何形成于比之前预期的更可移动和混乱的环境中。初生行星离开之前广阔的空间进入狭窄轨道,或被其他行星弹入细长或不规则的路径。但随着不断发现更多系外行星,观察者认为,即便是新模型也是暂时的。“就像淘金热那样,你每天都能发现一些新东西。”德国马普学会天体物理学家Thomas
Henning说。

他们从位于东海海边的质子加速器研究中心向295公里外的超级神冈探测器发射出一束μ子中微子。研究人员计算出了在此过程中有多少电子中微子出现——这是μ子中微子变成另一种中微子的信号。随后,他们使用一束介子反中微子重复了这一实验。

2015年10月,SolidEnergy首次发布了可充电式锂金属手机电池,获得了超过1200万美元(约合7970万元人民币)的投资。

然后,重力开始扮演重要角色,吸引着其他星子和尘埃等,直到行星大小初具规模。到这时,盘状物内部开始发生变化,大部分气体被剥离:被恒星吞下或被恒星风吹走。气体的缺乏意味着内行星仍然是巨大的岩状物,周围包裹着稀疏的大气。

“你可能打赌这种不同存在于中微子中,但直言我们能看到它还为时尚早。”西北大学理论物理学家André
de Gouvêa说。

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Winn指出,实际上,“打破一个系统的方法有很多”。

为何宇宙中充满了物质而非反物质是物理学的最大谜题之一。现在,日本的一项研究或许给出了答案:中微子这种亚原子粒子在物质形态和反物质形态的表现不同。

现在预测GPI和SPHERE能找到什么为时尚早。但热木星和超级地球都由于距离母恒星过近而无法直接成像,而又因距地球过远而不能依靠间接技术进行分析。“我们的数据断断续续且观察并不完整。”Laughlin说,“现在,也许大家都是错的。”

《中国科学报》 (2016-08-25 第3版 国际)

去年,NASA宣布,天文学家通过开普勒太空望远镜确认在宜居带发现第一颗与地球大小相似、围绕类似太阳的恒星运行的太阳系外行星。它比地球大60%,公转周期为385天,只比地球公转周期长5%。其母星也与太阳相似,但“年龄”为60亿岁,与太阳的温度类似,质量比太阳大4%。

为了测试这一想法,日本东海—神冈中微子实验的研究人员探究了物质和反物质中微子的差别,分析了在3种“味”之间振荡的差异。中微子有3种:电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。根据量子力学,不同的中微子之间可以相互转换,人们称之为中微子振荡。

但也有人认为该理论过于简单,无法解释飞马座51b等星体的形成。“它们不是就地形成的。”麻省理工学院物理学家Joshua
Winn说。对于这些“异类”,理论学家认为“重力混战”比安静迁移更能说明问题。

一个答案可能是超重粒子在宇宙诞生初期采用不对称的形式衰变产生了更多的物质。一些物理学家认为,中微子的一种超重“亲戚”可能是“幕后推手”。根据这一理论,如果中微子和反中微子现在表现得不一样,那么,其更古老的对应物也应该存在类似的不平衡,这或许可以解释为什么物质比反物质多。

“很明显,事情从一开始就几乎不匹配。从来没有一个时刻,理论能够追赶上观测。”美国斯坦福大学物理学家Bruce
Macintosh说。

超级神冈探测器正在搜寻物质和反物质间的差异。图片来源:日本神冈探测器

系外行星、超级地球、热木星…… 打破禁忌的外星世界

NOvA实验从费米国家实验室发射一束中微子到810公里之外的位于明尼苏达州北部的一座矿井下,并将于2017年发射反中微子束。Jung提到,这两个团队已经同意联手对数据进行分析,到2020年,得到的数据的统计置信度有望达到3西格玛。

现在,陆基望远镜正汇聚直接来自系外行星的光,而非如同开普勒那样间接寻找它们。而且,这些望远镜也发现了异常情况。它们发现比木星大数倍的巨行星,距离其母恒星的运行轨道是海王星距离地球的2倍多,而理论学家也曾认为这个区域不可能出现大行星。看上去与太阳系完全不同的另一个行星系也挑战了这个过时理论。

为了收集更多必需的数据,T2K团队提出将实验延续到2025年。不过,与此同时,他们也打算通过与NOvA合作,以加快搜集数据的速度。

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2009年,美国宇航局发射开普勒行星探测器,行星“狩猎”加速推进。“开普勒”发现,银河系中最常见的行星类型是大小介于地球和海王星之间的“超级地球”,它与太阳系完全不同,并被认为是几乎不可能形成的。

为了更好地研究宇宙,欧洲的光谱极化高对比度系外行星研究和美国的双子座行星成像仪已经被安装到位于智利的大型望远镜上。不出意外,更遥远的行星将能更容易地被定位。

按“剧情”发展下去,行星系诞生了:具有稀薄大气层的小岩态行星靠近恒星,木星等气体巨行星在雪线以外,在更远距离外的其他巨行星逐渐缩小。所有的行星仍然在其出生地附近井然有序。

Laughlin认为,行星更可能在适当的位置形成,并留在原地不动。如果原行星盘有比之前预计的多的物质,巨行星就会诞生于靠近母星的地方。一些行星运动仍会发生——这足以解释共振态等,但“这主要是微弱的调整,而非大规模传送”。

但也有科学家认为相关情况过于复杂。加州大学圣克鲁兹分校天文学家Greg
Laughlin
说:“我相信奥卡姆剃刀。”(14世纪逻辑学家、圣方济各会修士奥卡姆的威廉提出,他在《箴言书注》2卷15题说“切勿浪费较多东西去做用较少的东西同样可以做好的事情”。)

系外行星HR 8799 b 图片来源:NASA/ESA/G. Bacon

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