Гипотезу о хамелеонном происхождении темной энергии проверят с помощью нового сенсора

Физики из Нидерландов и Франции создали сверхчувствительный датчик сил, с помощью которого лабораторная проверка гипотезы о «хамелеонном» происхождении темной энергии выйдет на новый уровень. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review D и выложенная в архив е-принтов, описывает параметры сенсора и потенциальные возможности эксперимента.

Одна из важных черт современной физической картины мира — это связь явлений, протекающих на совершенно разных масштабах. Темная материя и темная энергия, управляющие нашей Вселенной на галактических масштабах, оказываются связанными с устройством микромира на мельчайших расстояниях. А проверять эту связь, оказывается, можно в сверхчувствительных лабораторных установках, размеры которых отстоят на много порядков и от мира элементарных частиц, и от галактических масштабов.

Одно из направлений таких исследований — поиск новых видов взаимодействий между макроскопическими телами. Это гипотетические силы, которые не сводятся ни к электромагнитным взаимодействиям, ни к гравитации, ни, разумеется, к слабым и сильным взаимодействия, которые действуют только на ядерных масштабах, — а представляют собой нечто совершенно новое. Если подобная «пятая сила» будет обнаружена экспериментально, это станет по-настоящему революционным открытием. Многочисленные эксперименты по проверке закона всемирного тяготения Ньютона в надежде найти отклонения от него на субмиллиметровых расстояниях — как раз из этой серии.

«Пятые силы» могут быть связаны с микромиром или, наоборот, с эволюцией Вселенной. Например, в 2004 году была предложена теория так называемого «хамелеонного поля». Хамелеонным оно было названо потому, что его свойства словно мутируют в зависимости от материального окружения, от того, в какой именно среде мы его изучаем. В вакууме это поле приводит к дальнодействующим силам; в частности, именно оно может являться темной энергией и причиной ускоряющегося расширения Вселенной. Но в плотном веществе оно может стать короткодействующим с радиусом влияния порядка миллиметра или меньше (подробнее об этой теории можно прочитать в недавнем обзоре Джастина Хоури).

Получается, что сила, вызванная действием хамелеонного поля между двумя телами, выглядит как искаженная разновидность гравитации. В вакууме она почти неотличимая от настоящей гравитации, но если пространство между телами заполненно веществом, ее сила ослабевает. Все обычные лабораторные эксперименты по проверке закона всемирного тяготения Ньютона проводятся в вакууме, и они для проверки этой теории не подходят. Для этого тела надо бы поместить в газовую среду, но обычные установки типа крутильного маятника в таких условиях работать не смогут.

Схема спирального сенсора.

Almasi et al.

Для этой цели вот уже несколько лет разрабатывается эксперимент Cannex. Ключевым элементом установки будет созданный недавно сверхчувствительный механический сенсор; он и был описан в опубликованной на днях статье. Сенсор представляет собой тонкую спиральную структуру, которая вырезается лазером из кремниевой пластины. Эта спираль держит на весу центральный участок размером примерно в сантиметр. Позади сенсора находится закрепленная металлическая пластина, которая вместе с центральным участком образует конденсатор. Сила, действующая на центральный участок, выдавливает его из плоскости мембраны и слегка изменяет емкость конденсатора, а она уже измеряется с очень высокой точностью.

Получившийся подвес оказался настолько чувствительным, что он позволит почувствовать силу всего в 0,1 пиконьютона. Для сравнения, песчинка, лежащая на чашке весов, давит на нее с силой в десятки миллионов раз больше. Сама пластинка при этом смещается из плоскости мембраны всего на 1 пикометр, что в сотни раз меньше размера атома. Тем не менее, даже такое мизерное смещение регистрируется датчиком.

Области на плоскости параметров хамелеонной теории. Серые области закрыты предыдущими экспериментами; синие области — то, что сможет закрыть эксперимент Cannex.

Almasi et al.

Авторы рассчитывают, что, измеряя взаимодействие между двумя пластинками площадью в 1 кв. см на расстоянии десятки микрон, сенсор сможет существенно, на несколько порядков, улучшить нынешние экспериментальные ограничения на силу хамелеонного взаимодействия. Кстати, существующие ограничения были получены год назад с помощью ультрахолодных нейтронов, что представляет собой еще один пример связи микромира, лабораторных экспериментов и явлений вселенских масштабов. Любопытно также, что, в отличие от других гипотетических сил, это хамелеонное поле не может быть произвольно слабым, ведь в теории оно ответственно за темную энергию. Поэтому появляется шанс в будущем полностью проверить — т.е. подтвердить или полностью закрыть — эту модель. Кроме того новый датчик позволит провести и другий сверхчувствительные измерения, — начиная от эффекта Казимира на больших расстояниях и до сейсмометрии, — которые прежним установкам были не под силу.

Игорь Иванов