Закон Ньютона проверили в нанометровом масштабе с помощью рассеяния нейтронов

C. Haddock et al. / Phys. Rev. D

Физики из США и Японии показали, что закон обратных квадратов Ньютона работает вплоть до расстояний порядка 0,1 нанометра — сила гравитационного притяжения между телами обратно пропорциональна квадрату расстояния даже на таких маленьких масштабах. Чтобы проверить это утверждение, ученые рассеивали нейтроны на молекулах благородных газов и смотрели, какой вклад в него вносит гравитация. Статья опубликована в Physical Review D, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы можно найти на сайте arXiv.org.

На данный момент физикам известно четыре фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. Первые три из них можно объединить с помощью перенормируемой калибровочной теории, известной как Стандартная модель, однако для гравитации этот подход не работает. Вместо этого приходится описывать ее с помощью классической (то есть не квантовой) Общей теории относительности Эйнштейна, которая в пределе малых скоростей и напряженностей гравитационного потенциала переходит в теорию гравитации Ньютона — так называемый закон обратных квадратов. Если точнее, в нерелятивистском пределе сила притяжения между двумя телами прямо пропорционально их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В квантовой теории поля такому закону должны отвечать переносчики взаимодействия, масса которых в точности равна нулю. Например, кулоновское (электростатическое) отталкивание между электронами можно представить как обмен виртуальным безмассовым фотоном, а потому его сила тоже обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами. Напротив, в теории Юкавы, которая приближенно описывает сильные взаимодействия, переносчик имеет массу, а потому интенсивность этих сил экспоненциально падает с увеличением расстояния между частицами. Таким образом, естественно было бы ожидать, что гипотетические гравитоны — переносчики гравитационного взаимодействия — тоже будут иметь нулевую массу. В самом деле, наблюдения за гравитационными волнами, приходящими от двойных систем сливающихся черных дыр или нейтронных звезд, позволили наложить довольно сильные ограничения на массу гравитонов (верхняя граница mg ~ 10−22). Таким образом, поведение гравитации на больших расстояниях довольно хорошо изучено.

С другой стороны, многие альтернативные теории гравитации хорошо воспроизводят закон обратных квадратов на больших расстояниях, но предсказывают новые эффекты на расстояниях порядка нанометров. В этих теориях к безмассовым гравитонам добавляются массивные, влияние которых экспоненциально быстро затухает с расстоянием. Примером такой теории может выступать модель Аркани-Хамеда (Nima Arkani-Hamed), в которой гравитация компактифицируется путем включения в теорию дополнительных пространственных измерений. Поэтому необходимо проверить, работает ли на небольших расстояниях стандартный закон обратных квадратов, чтобы подтвердить или исключить подобные теории.

Подобную экспериментальную проверку описывает в своей статье группа ученых под руководством Тамаки Йошиока (Tamaki Yoshioka). Для этого исследователи использовали рассеяние нейтронов на молекулах благородных газов. Поскольку нейтроны и молекулы в целом электрически нейтральны, сила электрического отталкивания для них пренебрежимо мала, и тонкие эффекты, к которым может привести обмен новой массивной частицей, теоретически можно увидеть на практике. В самом деле, при включении в теорию новой массивной частицы к обычному потенциалу Ньютона добавляется экспоненциально затухающий член — следовательно, полное сечение рассеяния нейтронов на молекулах изменяется. Разумеется, чем больше масса частицы, тем слабее проявляется ее действие. Измеряя сечение рассеяния и проверяя, при каких параметрах теория лучше всего согласуется с практикой, можно определить ограничения на массу гипотетической частицы. 

Схема экспериментальной установки. C. Haddock et al. / Phys. Rev. D

Именно такую проверку и провели авторы в своей работе. В качестве источника нейтронов выступала установка NOP (The Neutron Optics and Physics beam line), работающая в рамках ускорительного комплекса J-PARC. Полученные на установке нейтроны направлялись в камеру, заполненную гелием-4 или ксеноном-131, которые очищались от примесей с помощью «выпечки» (bake out) — одновременного нагревания и повышения давления в газе. Затем рассеянные нейтроны регистрировались с помощью детектора, заполненного молекулами гелия-3 и определяющего величину отклонения частицы от центра установки. Наконец, смещение нейтронов пересчитывалось в скорость, что позволяло построить зависимость сечения рассеяния от переданного молекулам импульса.

После того, как ученые завершили сбор экспериментальных данных, они проанализировали их, разделив вклад в сечение рассеяния различных взаимодействий и подобрав с помощью численных расчетов такие параметры теории, которые лучше всего объясняли измеренные значения сечений. Интересно, что несмотря на нулевой заряд нейтрона и молекул газов в целом, распределение зарядов в их объеме тоже сказывается на величине сечения, а потому физики его тоже учли. В результате ученые исключили большую область на плоскости параметров λ — α (λ — это комптоновская длина волны, то есть обратная масса частицы, а α — множитель, который описывает величину силы при фиксированном расстоянии). Если кратко, то исследователи показали, что закон обратных квадратов хорошо работает вплоть до расстояний порядка 0,1 нанометра.

Область параметров «неквадратной» части гравитационной силы, исключенные в различных экспериментах. Красным отмечены результаты текущего эксперимента. C. Haddock et al. / Phys. Rev. D

В мае 2016 года японские астрономы впервые проверили работу Общей теории относительности для красных смещений z ~ 1,4, что отвечает световым лучам, шедшим до Земли более 13 миллиардов лет. В ноябре прошлого года ученые показали, что возможные нарушения лоренц-инвариантности ОТО и Стандартной модели не внесли сколько-нибудь заметный вклад в движение Луны и приливные эффекты. А в декабре французский спутник Microscope подтвердил, что гравитационная и инертная масса тел совпадает с очень хорошей точностью (их отношение может отличаться от единицы не более чем на 10−14). Ни один из перечисленных выше экспериментов не нашел отклонений от классической теории гравитации.

Автор: Дмитрий Трунин

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (2 votes)
Источник(и):

nplus1.ru