Гамма-всплески установили пределы квантовой гравитации
Если сравнить временнýю задержку между фотонами разных энергий, приходящих от далеких объектов, можно установить ограничения на масштаб энергии, на котором проявляются эффекты квантовой гравитации. Ученые из Франции и Италии проанализировали данные двадцати одного короткого гамма-всплеска и нашли, что эта энергия должна быть не меньше 1,5×1016 гигаэлектронвольт. Статья опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.
Различные теории квантовой гравитации призваны объединить гравитационные и квантовые эффекты. На данный момент ни одна из этих теорий не является общепризнанной, однако все они предсказывают, что Общая теория относительности перестанет работать при достижении некоторого предела энергий EQG. Теории квантовой гравитации, претендующие на роль «теории всего», должны зависеть только от фундаментальных величин, и поэтому ожидается, что величина EQG будет сравнима с Планковской энергией Ep ~ 1019 гигаэлектронвольт. Тем не менее, точное значение этого предела неизвестно.
Одним из способов установить величину энергетического предела применимости классической теории Эйнштейна является поиск нарушений Лоренц-ковариантности. Другими словами, в квантовых теориях гравитации скорость движения фотонов (то есть скорость света) перестает быть постоянной величиной и начинает зависеть от энергии частиц, уменьшаясь или увеличиваясь (в зависимости от теории) при приближении к пределу EQG. Поэтому фотоны разных энергий, испущенные далекими источниками, должны приходить на Землю с некоторой задержкой по времени, пропорциональной расстоянию до источника и разнице энергий фотонов. Измерив эту задержку, можно определить ограничения на значение EQG. Логика тут простая — чем меньше задержка, тем слабее сказываются эффекты квантовой гравитации и тем выше находится предел EQG.
Гамма-всплески идеально подходят для такой проверки. Они находятся достаточно далеко от Земли — вплоть до красного смещения z = 9,2, при таких значениях даже говорить о расстоянии неверно, поскольку Вселенная успела расшириться за время, в течение которого свет шел от источника до приемника. В то же время, диапазон энергий фотонов, рождающихся в таких всплесках, очень широк. Например, из наблюдений за всплеском GRB 090510 задержка по времени между фотонами с разницей энергий 31 гигаэлектронвольт составила 0,8 секунд, что устанавливает ограничение EQG > 7,6 Ep. Однако результаты, полученные из единичных измерений, не очень надежны, поскольку они могут зависеть от особенностей отдельного источника. Для более надежных ограничений стоит использовать усредненные значения от нескольких гамма-всплесков.
В данной работе для установления нижней границы энергетического предела EQG ученые использовали данные по 21 короткому гамма-всплеску (short gamma-ray burst, S-GRB, длительность всплеска менее двух секунд), собранные орбитальной обсерваторией Swift. Красное смещение этих всплесков лежало в диапазоне от z = 0,36 до z = 2,2. Для установления временной задержки исследователи применили следующую методику. Сначала они извлекли из экспериментальных данных с помощью инструмента BAT кривые интенсивности потока фотонов в диапазонах 50-100 и 150-200 килоэлектронвольт. Затем физики рассчитали функцию взаимной корреляции этих кривых для различных задержек по времени. Наконец, в приближении асимметричной гауссовой модели они нашли значение, которое максимизирует эту функцию. Данную последовательность действий исследователи повторили для каждого гамма-всплеска.
Затем ученые рассчитали поправку на расстояние до источников гамма-всплесков и вычислили с ее учетом ограничение на предел EQG в каждом конкретном случае, предполагая, что задержка по времени зависит от расстояния линейно. Впрочем, для рассматриваемых источников эта поправка была не очень велика, поскольку их красное смещение было относительно мало. Наконец, физики усреднили значения для всех гамма-всплесков и получили, что с вероятностью 95 процентов нижняя граница составляет EQG = 1,5×1016 гигаэлектронвольт. Это значение не такое строгое, как ограничение от единичного гамма-всплеска GRB 090510, однако оно улучшает результаты предыдущих усредненных измерений. Поэтому авторы статьи считают, что их результаты помогут установить, какой вклад в задержку по времени вносят эффекты именно квантовой гравитации.
На прошлой неделе мы писали о том, как ученые установили с помощью анализа приливных эффектов и движения Луны ограничения для другой теории, предполагающей объединение гравитации и квантовых эффектов — расширенной стандартной модели. Также недавно физики рассчитали, насколько может отличаться скорость гравитации от скорости света.
Дмитрий Трунин
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».