|
Поиск гравитационных аномалий, вызванных темной энергией
|
|
|
|
Темная энергия — таинственная сила, расталкивающая Вселенную со все возрастающей скоростью - была открыта 26 лет назад, и с тех пор ученые ищут новую экзотическую частицу, вызывающую расширение. Расширяя границы этого поиска, физики Калифорнийского университета в Беркли провели самый точный на сегодняшний день эксперимент по выявлению незначительных отклонений от общепринятой теории гравитации, которые могли бы свидетельствовать о существовании такой частицы, которую теоретики окрестили хамелеоном или симметроном. Результаты опубликованы в выпуске журнала Nature Physics от 11 июня 2024 года. Эксперимент, в ходе которого атомный интерферометр был объединен для точных измерений силы тяжести с оптической решеткой, удерживающей атомы на месте, позволил исследователям удерживать свободно падающие атомы в течение нескольких секунд вместо миллисекунд для поиска гравитационных эффектов, что в пять раз превзошло самые точные на данный момент измерения.
|
|
|
|
Хотя исследователи не обнаружили никаких отклонений от того, что предсказывалось теорией, изложенной Исааком Ньютоном 400 лет назад, ожидаемое повышение точности эксперимента может в конечном итоге привести к получению доказательств, подтверждающих или опровергающих теории о гипотетической пятой силе, опосредованной хамелеонами или симметронами. По словам Хольгера Мюллера, профессора физики Калифорнийского университета в Беркли, способность интерферометра решетчатых атомов удерживать атомы до 70 секунд — и потенциально в 10 раз дольше — также открывает возможность исследования гравитации на квантовом уровне. В то время как у физиков есть хорошо проверенные теории, описывающие квантовую природу трех из четырех взаимодействий природы - электромагнетизма, сильного и слабого взаимодействий, — квантовая природа гравитации так и не была доказана. "Большинство теоретиков, вероятно, согласны с тем, что гравитация является квантовой. Но никто никогда не видел экспериментального подтверждения этого", - сказал Мюллер.
|
 |
|
"Очень трудно даже определить, является ли гравитация квантовой, но если бы мы могли удерживать наши атомы в 20-30 раз дольше, чем кто-либо другой, поскольку наша чувствительность возрастает экспоненциально, у нас было бы в 400-800 000 раз больше шансов найти экспериментальное доказательство того, что гравитация действительно является квантово-механической". Помимо прецизионных измерений силы тяжести, другие области применения решетчатого атомного интерферометра включают квантовое зондирование. "Атомная интерферометрия особенно чувствительна к гравитационным или инерционным эффектам. Вы можете создавать гироскопы и акселерометры", - сказал Кристиан Панда, аспирант Калифорнийского университета в Беркли, который является первым автором статьи. "Но это открывает новое направление в атомной интерферометрии, где квантовое измерение силы тяжести, ускорения и вращения может быть осуществлено с помощью атомов, удерживаемых в оптических решетках в компактной упаковке, устойчивой к несовершенствам окружающей среды или шуму".
|
|
|
|
Поскольку оптическая решетка жестко удерживает атомы на месте, решетчатый атомный интерферометр может работать даже в море, где для составления геологической карты океанского дна используются чувствительные гравитационные измерения. Темная энергия была открыта в 1998 году двумя группами ученых: группой физиков из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, возглавляемой Солом Перлмуттером, ныне профессором физики Калифорнийского университета в Беркли, и группой астрономов, в которую входил аспирант Калифорнийского университета в Беркли Адам Рисс. За это открытие они вдвоем получили Нобелевскую премию по физике за 2011 год. Осознание того, что Вселенная расширяется быстрее, чем следовало бы, пришло после наблюдения за далекими сверхновыми и использования их для измерения космических расстояний. Несмотря на многочисленные предположения теоретиков о том, что на самом деле раздвигает пространство, темная энергия остается загадкой — большой загадкой, поскольку около 70% всей материи и энергии Вселенной находится в форме темной энергии.
|
|
|
|
Согласно одной из теорий, темная энергия - это просто энергия космического вакуума. По другой, это энергетическое поле, называемое квинтэссенцией, которое меняется во времени и пространстве. Другое предположение состоит в том, что темная энергия - это пятая сила, намного более слабая, чем гравитация, и опосредованная частицей, которая оказывает отталкивающее воздействие, изменяющееся в зависимости от плотности окружающей материи. В пустоте космоса она оказывала бы отталкивающее воздействие на большие расстояния, способное раздвигать пространство. В земной лаборатории, окруженной защитной материей, радиус действия частицы был бы чрезвычайно мал. Эту частицу назвали хамелеоном, как будто она прячется у всех на виду. В 2015 году Мюллер адаптировал атомный интерферометр для поиска признаков присутствия хамелеонов, используя атомы цезия, помещенные в вакуумную камеру, имитирующую пустоту космоса. В течение 10-20 миллисекунд, которые потребовались атомам, чтобы подняться и опуститься над тяжелой алюминиевой сферой, он и его команда не обнаружили никаких отклонений от того, что можно было бы ожидать от нормального гравитационного притяжения сферы и Земли.
|
|
|
|
Ключом к использованию свободно падающих атомов для проверки силы тяжести является способность привести каждый атом в квантовую суперпозицию двух состояний, каждое из которых имеет немного отличающийся импульс, который переносит их на разные расстояния от тяжелого вольфрамового груза, висящего над головой. Состояние с более высоким импульсом и высотой над уровнем моря сильнее притягивает вольфрам, изменяя его фазу. Когда волновая функция атома разрушается, разность фаз между двумя частями волны материи показывает разницу в гравитационном притяжении между ними. "Атомная интерферометрия - это искусство и наука об использовании квантовых свойств частицы, то есть того факта, что это одновременно и частица, и волна. Мы разделяем волну таким образом, чтобы частица двигалась по двум траекториям одновременно, а затем интерферируем их в конце", - сказал Мюллер. "Волны могут быть либо в фазе и складываться, либо не в фазе и гасить друг друга. Фокус в том, находятся ли они в фазе или нет, очень чувствительно зависит от некоторых величин, которые вы, возможно, захотите измерить, таких как ускорение, сила тяжести, вращение или фундаментальные постоянные."
|
|
|
|
В 2019 году Мюллер и его коллеги добавили оптическую решетку, чтобы удерживать атомы вблизи массы вольфрама в течение гораздо более длительного времени — поразительных 20 секунд — для усиления влияния силы тяжести на фазу. В оптической решетке используются два скрещенных лазерных луча, которые создают решетчатый массив устойчивых мест для скопления атомов, парящих в вакууме. Но было ли 20 секунд пределом, задавался он вопросом? В разгар пандемии COVID-19 компания Panda неустанно работала над продлением времени ожидания, систематически фиксируя список из 40 возможных препятствий, пока не установила, что изменение угла наклона лазерного луча, вызванное вибрациями, является основным ограничением. Стабилизировав луч в резонансной камере и установив температуру немного ниже — в данном случае менее чем на миллионную долю Кельвина выше абсолютного нуля, или в миллиард раз ниже комнатной, — он смог увеличить время выдержки до 70 секунд.
|
|
|
|
В недавно опубликованном эксперименте с гравитацией Панда и Мюллер поменяли более короткое время, 2 секунды, на большее расстояние между волновыми пакетами - до нескольких микрон, или нескольких тысячных долей миллиметра. Для каждого эксперимента в вакуумной камере находится около 10 000 атомов цезия, которые распределены слишком разреженно, чтобы взаимодействовать друг с другом, и рассеиваются оптической решеткой в облака примерно по 10 атомов в каждом. "Гравитация пытается столкнуть их вниз с силой, в миллиард раз превышающей их притяжение к массе вольфрама, но у вас есть восстанавливающая сила от оптической решетки, которая удерживает их, как на полке", - сказал Панда. "Затем мы берем каждый атом и разделяем его на два волновых пакета, так что теперь они находятся в суперпозиции двух высот. А затем мы берем каждый из этих двух волновых пакетов и помещаем их в отдельный участок решетки, на отдельную полку, чтобы это выглядело как шкаф. Когда мы отключаем решетку, волновые пакеты рекомбинируются, и вся квантовая информация, полученная во время удержания, может быть считана."
|
|
|
|
Панда планирует создать свой собственный решетчатый атомный интерферометр в Университете Аризоны, куда он только что был назначен доцентом физики. Он надеется использовать его, среди прочего, для более точного измерения гравитационной постоянной, которая связывает силу притяжения с массой. Тем временем Мюллер и его команда создают с нуля новый решетчатый атомный интерферометр с улучшенным контролем вибрации и более низкой температурой. Новое устройство может дать результаты, в 100 раз превосходящие результаты текущего эксперимента, и будет достаточно чувствительным, чтобы обнаружить квантовые свойства гравитации. Запланированный эксперимент по обнаружению гравитационной запутанности, в случае успеха, был бы сродни первой демонстрации квантовой запутанности фотонов, проведенной в Калифорнийском университете в Беркли в 1972 году покойным Стюартом Фридманом и бывшим научным сотрудником Джона Клаузера. За эту работу Клаузер получил Нобелевскую премию по физике за 2022 год.
|
|
|
|
Источник
|
