Новый эксперимент ограничил хамелеонное происхождение темной энергии

Джастин Хоури и его коллеги из Университета Калифорнии и Национальной Лаборатории в Беркли ограничили параметры объектов, которыми может быть темная энергия — одна из субстанций, ответственных за ускоряющееся расширение Вселенной. В частности, эксперимент, проведенный авторами значительно сузил спектр теорий, предсказывающих, что темная энергия это хамелеонное поле. Работа опубликована в журнале Science, кратко с ней можно ознакомиться в заметке.

Темная энергия впервые стала полноправной частью космологической картины мира в 1998 году, когда две группы ученых независимо подтвердили расширение Вселенной с ускорением. Объяснить это можно было лишь большим количеством энергии с отрицательным давлением, существующей в пространстве и невидимой нами. Она составляет около 68 процентов всей энергии в космосе, чем она представлена — до сих пор достоверно неизвестно.

Хамелеонное поле, изучаемое авторами, — теоретический объект, «пятая сила», обладающая необычными свойствами. В частности, его характер сильно меняется в зависимости от его окружения: в вакууме оно способно поддерживать взаимодействия на дальних дистанциях, а внутри плотного вещества поле становится короткодействующим. Таким образом, это поле оказывается аналогом гравитации, неотличимым от нее в вакууме.

В модели, описывающей хамелеонное поле, есть два ключевых параметра, ответственных за его связь с веществом и за форму его потенциала. Цель многочисленных экспериментов — либо обнаружить точное значение этих параметров, доказав существование поля, либо показать, что на всех возможных значениях этих параметров поле не проявляет себя. Серьезные шаги в этом направлении были сделаны в 2014 году, когда группа Хартмута Абеле провела эксперименты с охлажденными нейтронами. Работа позволила ограничить параметр взаимодействия поля с веществом на пять порядков.

Новая работа усиливает этот результат. Авторы поставили эксперимент, в котором изучали взаимодействие в вакууме 9,5-миллиметровой алюминиевой сферы и облачка из десяти миллионов холодных атомов цезия. Физики проводили два вида измерений, в первом случае сбрасывали атомы с высоты 8,8 миллиметров над сферой, а во втором — сбоку от сферы. Свободное падение атомов продолжалось около 20 миллисекунд. 

Хамелеонное поле должно было по разному вести себя вблизи границы сферы и на расстоянии от нее: вблизи границы сферы его дальнодействие должно было значительно уменьшиться. Поэтому ученые ожидали увидеть разное поведение атомов в разных экспериментах. Предполагалось, что облачко атомов достаточно разреженное, чтобы не уменьшать дальнодействие поля. По словам авторов, эти эффекты должны были отразиться на ускорении, с которым падали атомы. 

Оказалось, что измеренные с помощью атомной интерферометрии значения ускорений совпадают с точностью до одной миллионной доли. Это позволяет наложить на хамелеонную теорию новые ограничения по параметру взаимодействия, сократив допустимый интервал значений для него на четыре порядка.

Эксперимент позволил отбросить лишь те теории, которые предполагают силу взаимодействия хамелеонного поля с материей во много раз превышающую силу гравитации. Для того, чтобы усилить ограничения на теорию, Мюллер, соавтор Хоури, планирует улучшить точность эксперимента до одной миллиардной. Но даже если хамелеонная теория будет отброшена, останется еще ряд возможных объяснений существования темной энергии. Например, аксионы.