Спутник Microscope подтвердил равенство гравитационной и инертной масс
Эксперименты на борту французского спутника Microscope показали, что отношение гравитационной и инертной массы тела не может отличаться от единицы больше, чем на 10−14. Это ограничение почти в 10 раз точнее, чем результаты предыдущих измерений. Статья с результатами анализа данных опубликована в Physical Review Letters, кратко о работе сообщает Physics.
Еще в XVII веке Галилео Галилей экспериментально доказал, что ускорение тела в гравитационном поле не зависит от его массы, и с тех пор гравитационная и инертная масса произвольного тела полагаются равными и не зависящими от его состава. Этот же принцип, известный как принцип (слабой) эквивалентности, Эйнштейн положил в основу Общей теории относительности. Однако в действительности непонятно, почему этот принцип верен. Поэтому физики разработали несколько теорий (например, теорию с «полями-хамелеонами», chameleon fields), в которых он нарушается, и ищут эти нарушения экспериментально.
В данной работе ученые искали нарушения принципа эквивалентности, наблюдая за «свободным падением» тел, движущихся по орбитам вокруг Земли. Измерения они выполнили с помощью экспериментов на борту спутника Microscope (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence). Этот аппарат, созданный Национальным центром космических исследований Франции (CNES), был запущен в апреле 2016 года с европейского космодрома Куру российской ракетой «Союз» и выведен на орбиту высотой около 710 километров. На этой высоте ускорение свободного падения равно примерно 7,9 метра на секунду в квадрате.
На борту спутника находится две экспериментальные установки, в каждой из которых с помощью электростатических сил удерживается по два цилиндра. В одной установке (SUREF) оба цилиндра состоят из платино-родиевого сплава (отношение металлов 9:1) и имеют массу около 0,4 и 1,4 килограммов. В другой установке (SUEP) отличается как состав цилиндров (платино-родиевый и титано-ванадиево-алюминиевый сплавы), так и их массы (около 0,4 и 0,3 килограмм). Массы цилиндров были измерены на Земле заранее с относительной погрешностью около 10−6. Если отношение гравитационной и инертной масс для разных цилиндров отличается, их орбиты будут постепенно расходиться, и удерживающие силы придется корректировать. Измеряя величину этих корректировок в течение долгого времени, можно получить ограничения на разницу масс. В каждом опыте ученые усредняли значения корректировок за время от 62 до 120 оборотов вокруг Земли.
В результате физики получили, что отношение гравитационной и инертной масс может отличаться от единицы не больше, чем на 10−14. Это ограничение почти в десять раз сильнее, чем результаты предыдущих измерений. К концу 2018 года ученые планируют собрать еще больше экспериментальных данных и уточнить границу еще в десять раз.
В последнее время физики активно ищут отклонения от Общей теории относительности, однако до сих пор ничего необычного найдено не было. Так, определенная по временной задержке гамма-всплесков предельная энергия, при которой станут существенными эффекты квантовой гравитации, оценивается в 1016 — 1019 гигаэлектронвольт. Не нашли физики и нарушений Лоренц-ковариантности, предсказанные расширением Стандартной модели.
Дмитрий Трунин
Результат получила коллаборация Belle II
Выход за пределы Стандартной модели — важнейшая поисковая задача физиков, занимающихся элементарными частицами. В первую очередь они ориентируются на существующие крупные аномалии, например, темную материю. Множество расширений Стандартной модели опирается на введение новых невидимых бозонов, которые могли бы стать такой материей. Один из процессов, где такие бозоны могли бы себя проявить — это распад тау-лептона. Физики знают, что этот тяжелый лептон распадается на электрон или мюон и соответствующий набор нейтрино. Ряд теорий, однако, предсказывает альтернативный канал распада, в котором вместо нейтрино рождается темный бозон. Проверить эту гипотезу вызвались физики из коллаборации Belle II, работающие на лептонном коллайдере SuperKEKB. В ходе измерительной кампании, длящейся с 2019 по 2020 год, ученые собрали данные о более, чем 57 миллионах событий, в которых сталкивающиеся электроны и позитроны превращаются в таон-антитаонные пары при энергии в системе центра масс, равной 10,58 гигаэлектронвольта. Интегральная светимость эксперимента составила 62,8 обратного фемтобарна. Физиков интересовали коэффициенты ветвления процессов с участием темных бозонов, деленные на соответствующие коэффициенты для известных процессов. Авторы протестировали собранные данные для бозонов в диапазоне масс от 0 до 1,6 гигаэлектронвольта и не нашли подтверждения этой гипотезе. Результат работы физиков накладывает новые ограничения на отношения коэффициентов ветвления: (6−36)×10−3 для распада на электрон и (3−34)×10−3 для распада на мюон с доверительным интервалом 95 процентов. Японский коллайдер SuperKEKB — это модернизированная версия его предшественника, коллайдера KEKB. Он был снова запущен после семи лет ремонта в 2018 году. С тех пор на нем было получено множество новых результатов, например, уточненное время жизни очарованного лямбда-бариона.