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《美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的核物理学家在超算的帮助下准确预测了介子（由夸克和反夸克组成的粒子）中的电荷分布》

  • 编译者： 张宇
  • 发布时间：2024-12-06

  • 近日，纽约州厄普顿—美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的核物理学家已经证明，在超级计算机上运行的复杂计算可以准确预测介子（由夸克和反夸克组成的粒子）中的电荷分布。科学家们渴望在布鲁克海文实验室正在建设的未来电子-离子对撞机（EIC）上进行的高能实验中，更多地了解介子以及由夸克组成的粒子整体类别，这些粒子统称为强子。EIC上的预测和测量将揭示夸克以及将它们结合在强子中的胶子是如何产生几乎所有可见物质的质量和结构的。

    “电子-离子对撞机（EIC）的基本科学目标是了解强子的特性，包括介子以及更熟悉的质子和中子，是如何从它们组成的夸克和胶子的分布中产生的，”领导这项研究的布鲁克海文实验室理论家Swagato Mukherjee说。最轻的介子，即π介子，在强核力中起着至关重要的作用，强核力将质子和中子束缚在原子核中。通过探索π介子、质子和其他强子的奥秘，EIC将帮助科学家探究由原子构成的万物是如何以目前的方式结合在一起的。

    最近发表在《Physical Review Letters》上的新预测与美国能源部托马斯杰斐逊国家加速器设施（Jefferson Lab）的低能实验测量结果非常吻合，这些预测延伸到了新设施计划进行的高能实验领域，该设施是由建设布鲁克海文实验室电子-离子对撞机（EIC）的合作伙伴建造的。这些预测很重要，因为它们将在2030 年代初为 EIC 的实验提供一个比较的基准。

    但这些发现比建立对单一EIC测量的期望更进一步。正如论文中所述，科学家们基于他们的预测——结合额外的独立超级计算机计算——来验证一种广泛使用的破译粒子特性的方法。这种方法称为因式分解，它将复杂的物理过程分解为两个组成部分或因素。因式分解的验证将使更多的EIC预测和对实验结果更加正确的解读成为可能。


    该项目的科研论文 "QCD Predictions for Meson Electromagnetic Form Factors at High Momenta: Testing Factorization in Exclusive Processes" 已发布。（DOI：10.1103/PhysRevLett.133.181902）


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  • 《布鲁克海文国家实验室（BNL）研究团队使用先进的X射线成像技术探索单个细胞》
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-08-20
    • 每一种植物、动物和人都是微小、特化细胞的丰富缩影。这些细胞本身就是世界，每个细胞都有自己独特的部分和过程，肉眼无法看到。能够以纳米分辨率看到这些微观构建块的内部运作而不损害其精细的细胞器一直是一个挑战，但来自美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室不同学科的科学家已经找到了一种使用多种技术对单个细胞进行成像的有效方法。捕捉这些图像的迷人过程发表在《Communications Biology》期刊中。 能够理解细胞的内部结构、化学物质和蛋白质在细胞内的相互作用方式，以及这些相互作用如何以纳米分辨率发出某些生物过程的信号，可以在医学、农业和许多其他重要领域产生重大影响。这项工作也为更好的生物成像技术和优化生物成像的新仪器铺平了道路。 布鲁克海文实验室的结构生物学家Qun Liu说：“研究人类细胞及其内部的细胞器令人兴奋，但我们结合了硬X射线计算机断层扫描和X射线荧光成像的多模式方法有很多机会受益。我们可以研究致病真菌或有益细菌。我们不仅可以看到这些微生物的结构，还可以看到细胞以不同方式相互作用时发生的化学过程。” 拔出生命的基石之一 在研究人员开始成像之前，他们最大的挑战之一就是准备样本本身。该团队决定使用来自人类胚胎肾（HEK）293系的细胞。众所周知，这些细胞易于生长，但很难进行多次X射线测量。即使它们很小，细胞也很容易受到X射线引起的损伤。 科学家们经过了一个谨慎的多步骤过程，使样本更加坚固。他们使用多聚甲醛来化学保存细胞的结构，然后让机器人通过将样品浸入液态乙烷中快速冷冻样品，将其转移到液氮中，最后冷冻干燥以去除水分，但保持细胞结构。一旦这一过程完成，研究人员将冻干细胞置于显微镜下，对其进行定位和标记，以进行靶向成像。 直径仅为12-15微米（人类头发的平均厚度为150微米），设置用于测量的样品并不容易，特别是对于不同光束线上的测量。该团队需要确保细胞的结构能够在高能X射线的多次测量中幸存下来，而不会造成重大损坏，并且细胞可以可靠地保持在一个地方进行多次测量。为了克服这些障碍，科学家们创建了标准化的样品架，用于多台设备，并实施了光学显微镜，以快速发现和成像细胞，并最大限度地减少可能损坏细胞的长时间X射线照射。 多模态测量 该团队使用了在布鲁克海文的美国能源部科学办公室用户设施国家同步辐射光源II（NSLS-II）发现的两种成像技术——X射线计算机断层扫描（XCT）和X射线荧光（XRF）显微镜。 研究人员在全场X射线成像（FXI）光束线上收集了XCT数据，该数据使用X射线告诉科学家细胞的物理结构。断层扫描使用X射线显示固体样品的横截面。一个熟悉的例子是CT扫描，医生用它来对身体任何部位的横截面进行成像。 研究人员收集了XRF显微镜数据，这些数据在亚微米分辨率X射线光谱（SRX）光束线上提供了更多关于细胞内化学元素分布的线索。在这项技术中，研究人员将高能X射线直接照射到样品上，激发材料并使其发出X射线荧光。X射线发射有其独特的特征，让科学家确切地知道样品由哪些元素组成，以及它们是如何分布以实现其生物功能的。 FXI首席束线科学家Xiaonghui Xiao说：“我们有动力根据各自提供的独特互补信息将XCT和XRF成像结合起来。”。“荧光为我们提供了许多关于细胞内微量元素及其分布的有用信息。这对生物学家来说是非常关键的信息。不过，在许多细胞上获得高分辨率的荧光图可能非常耗时。即使只是二维图像，也可能需要几个小时。” 这就是使用XCT获得细胞3D图像的地方。这些信息可以帮助将荧光测量引导到特定的感兴趣位置。它为科学家节省了时间，提高了吞吐量，还确保了样本不需要长时间暴露在X射线下，从而减轻了对脆弱细胞的潜在损伤。 SRX的束线科学家Yang Yang表示：“这种相关方法提供了有用的、互补的信息，可以推进几个实际应用。”。“对于药物输送这样的事情，可以识别特定的细胞器子集，然后在治疗过程中重新分配特定的元素时可以追踪它们，让我们更清楚地了解这些药物是如何在细胞水平上起作用的。” 尽管成像技术的这些进步为细胞世界提供了更好的视角，但仍然存在挑战和进一步改进成像的方法。作为NSLS-II实验工具III项目的一部分，Yang是即将推出的定量细胞断层扫描（QCT）波束线团队的科学负责人，该项目将致力于生物成像。QCT是一种全场软X射线断层扫描束线，用于以纳米级分辨率对冷冻细胞进行成像，而不需要化学固定。这种低温软X射线断层扫描束线将与当前的方法相辅相成，为细胞结构和功能提供更多细节。 未来的研究结果 虽然能够窥探构成人体系统的细胞是令人着迷的，但能够了解攻击和破坏这些系统的病原体可以使科学家在抗击传染病方面具有优势。 Liu解释说：“这项技术使我们能够研究病原体与其宿主之间的相互作用。”。“我们可以在感染前观察病原体和健康细胞，然后在感染期间和之后对它们进行成像。我们将注意到病原体和宿主的结构变化，并更好地了解这一过程。我们还可以研究人类微生物组中有益细菌或与植物共生的真菌之间的相互作用。” Liu目前正与美国能源部生物与环境研究项目的其他国家实验室和大学的科学家合作，研究高粱与炭疽病病原真菌Colletotrichum sublineola之间的分子相互作用，炭疽病会损害植物的叶子。高粱是美国能源部的一种主要生物能源作物，也是世界上第五大谷物作物，因此，通过了解这种毁灭性真菌的策略以及高粱的防御机制如何在细胞和分子水平上发挥作用，人类将受益匪浅。 能够看到这样的规模，可以让科学家深入了解病原体对作物、环境甚至人体发动的战争。这些信息可以帮助开发正确的工具来对抗这些入侵者，或者修复在基础层面无法最佳工作的系统。第一步是能够看到一个人眼无法看到的世界，同步加速器科学的进步已被证明是揭开这个世界的有力工具。 这项工作得到了布鲁克海文实验室指导的研究和开发基金以及美国能源部科学办公室的支持。
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  • 《布鲁克海文国家实验室（BNL）研究团队利用原子级“GPS”材料表征技术展现了超快材料转变过程中的运动》
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-08-20
    • 近日，布鲁克海文国家实验室（BNL）的科学家们制作了史上首部原子级的电影，展示了量子材料从绝缘体转变为金属时，原子如何局部重新排列。借助这些原子电影，研究人员发现了一种新的材料相变，这一发现解决了长达数年的科学争论，并可能促进具有商业应用的新过渡材料的设计。 这项研究最近发表在《Nature Materials》期刊上（10.1038/s41563-024-01927-8），标志着方法论上的一项成就；研究人员证明，一种称为原子对分布函数（PDF）分析的材料表征技术在X射线自由电子激光（XFEL）设施中是可行的，并且能够成功。PDF通常用于同步加速器光源实验，在实验过程中，样品被X射线脉冲轰击。通过研究X射线衍射图案在与材料相互作用后如何变化，科学家们可以更好地了解这些材料的特性。但是这些实验受到可以产生的最短X射线脉冲的限制。 “这就像相机的快门速度，”该论文的共同主要作者Jack Griffiths解释说。“如果你拍摄的照片的变化速度比相机的快门速度快，你的照片会很模糊。就像快速的快门速度一样，较短的X射线脉冲有助于我们更详细地观察快速变化的材料。Griffiths是布鲁克海文凝聚态物理与材料科学（CMPMS）部门X射线散射小组的博士后研究员，现在是布鲁克海文实验室的美国能源部科学办公室科研设施国家同步辐射光源II（NSLS-II）的博士后研究员。 同步加速器光源非常适合表征不变的材料或在几分钟到几小时内变化的材料，例如电池在充电和放电时。但是这组科学家想在皮秒时间尺度上观察物质变化。 “很难想象皮秒到底有多快，”Griffiths表示。在一秒钟内，光可以绕地球传播七次半。但在一皮秒内，光只能传播三分之一毫米。“这样的时间尺度几乎是前所未有的。” 因此，科学家们将PDF技术带到了一个名为Linac Coherent Light Source（LCLS）的XFEL设施中，这是由斯坦福大学为美国能源部科学办公室运营的 SLAC国家加速器实验室。它的设施可以产生令人难以置信的明亮和短脉冲的X射线。 “当你第一次做某件事时，总会有这一方面是未知的。这可能令人伤脑筋，但也非常令人兴奋，“另一位共同主要作者、CMPMS X射线散射小组的物理学家Emil Bozin表示。“我们知道将PDF引入XFEL的核心限制性，但我们真的不知道会发生什么。” 凭借LCLS的快速“快门速度”，科学家们能够制作出阐明原子运动的电影，就像他们的量子材料样品在金属和绝缘体之间过渡时发生的那样。 “我简直被它的效果所震撼。”X射线散射小组的物理学家、哥伦比亚大学工程与应用科学学院的教授Simon Billinge表示。 “这类似于需要一个导航应用程序，”Billinge补充道。“你知道你现在在哪里，你的目的地是什么，但你需要这个应用程序给你一条路线或一些路线选项。超快PDF是我们的导航应用程序。 了解这些原子路线是设计过渡材料的重要第一步，这些材料在计算、化学和储能领域有广泛的应用。一旦科学家了解了材料是如何转变的，他们就可以操纵原子路线并设计出针对商业应用进行优化的材料。例如，当保存文件时，计算机内存材料会过渡到不同的阶段。在这种情况下，重要的是拥有不需要大量能量来切换形态的材料。但是，它们还必须能够抵抗长时间内不必要的形态改变和数据损坏。 “让PDF与XFEL一起工作是组织付出巨大努力的结果，”布鲁克海文实验室X射线散射小组负责人、伦敦大学学院（UCL）伦敦纳米技术中心教授Ian Robinson表示。例如，Robinson指出，“我们与LCLS的 Sébastien Boutet和Vincent Esposito密切合作，确定了高分子飞秒晶体学（MFX）光束线对PDF技术来说是最有前途的。 该团队还包括来自哥伦比亚大学、威斯康星大学麦迪逊分校、美国能源部阿贡国家实验室和英国科学技术设施委员会的物理学家。 凭借成功的原理验证实验，研究人员渴望研究量子材料的另一种相变，科学家们将对其作为其他有用材料的“模型”进行研究。他们在用激光脉冲激发材料时产生了一个令人兴奋的结果。 发现了一个新的物质阶段：就像这种量子材料的绝缘体到金属的转变一样，一些材料转变是由温度、压力或磁场的变化驱动的。但是，由于这些环境变化可能是自然发生的，也可能是无意发生的，因此对于某些应用来说，它们不一定可靠。在计算方面，重要的是，负责存储文件的材料不会仅仅因为房间变得太热或太冷而改变形态。 因此，研究人员研究了“非平衡”转变，即由可靠且可控的触发器引起的材料状态变化。在这种情况下，他们用激光脉冲击中了量子材料。 尽管激光只扰动了几个原子，但这些原子的邻居对这种变化做出了反应。然后邻居的邻居感受到了这种影响，直到局部变化在整个量子材料中传播。 “就像海底的地震可以通过仅仅扰乱局部的海水而最终在海洋边缘形成巨浪一样，”Billinge补充道。 使用超快PDF，研究人员密切观察了样品受到激光脉冲轰击时的原子运动。他们首次直接观察到量子材料转变为尚未被发现的新状态。 “这就像发现了一种新的、隐藏的物质形态，在平衡转变期间是无法接近的，”Bozin表示。 科学家们的发现引发了长达数年的辩论，即当某些量子材料被激光激发时到底会发生什么，这不仅仅是加热材料，而是生成了“亚稳态”的一个瞬间的中间状态。 有趣的是，这种材料在数十皮秒内是无序的，“即使它以有序的状态开始和结束，”格里菲斯说。 Robinson补充说：“这种瞬间状态的发现代表了材料研究的一个新阶段，这种材料的寿命很短。这是一个至关重要的迹象，表明一种未被发现的、完全稳定的物质可能存在于相近的成分中。 科学家们急于发现这些“隐藏”的物质。但他们也希望释放新的超快PDF技术的全部潜力。 “量子材料中存在多种形式的复杂形态开关，我们计划用超快PDF来探索它们，”Bozin表示。“了解这些形态可以促进商业材料的开发。但科学界也可以使用这项技术来回答基本的物理学问题，探索超快现象，并制造出更好的超导体。 他补充说：“尽管我们解答了有关物质形态转变过程中的疑问，但似乎我们已经打开了一扇门，而不是关闭了一扇门。 像这个项目一样，如果没有多学科的合作，未来的项目就不会成功。 “我们不仅仅使用了SLAC的LCLS设施，”Billinge解释说。“那里的员工在使超快PDF取得成功方面也发挥了不可或缺的作用。” Brookhaven团队已准备好优化超快PDF技术，特别是随着LCLS升级到LCLS-II-HE，这将使分辨率更高的分子电影成为可能。 “国际上对使这项技术成为常规且成功的技术有着浓厚的兴趣。”Bozin表示。“我们期待着成为其中的一部分。”
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