Закон Ньютона проверили в нанометровом масштабе с помощью рассеяния нейтронов
Физики из США и Японии показали, что закон обратных квадратов Ньютона работает вплоть до расстояний порядка 0,1 нанометра — сила гравитационного притяжения между телами обратно пропорциональна квадрату расстояния даже на таких маленьких масштабах. Чтобы проверить это утверждение, ученые рассеивали нейтроны на молекулах благородных газов и смотрели, какой вклад в сечение процессов вносит гравитация. Статья опубликована в Physical Review D, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы можно найти на сайте arXiv.org.
На данный момент физикам известно четыре фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. Первые три из них можно объединить с помощью перенормируемой калибровочной теории, известной как Стандартная модель, однако для гравитации этот подход не работает. Вместо этого приходится описывать ее с помощью классической (то есть не квантовой) Общей теории относительности Эйнштейна, которая в пределе малых скоростей и напряженностей гравитационного потенциала переходит в теорию гравитации Ньютона — так называемый закон обратных квадратов. Если точнее, в нерелятивистском пределе сила притяжения между двумя телами прямо пропорционально их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
В квантовой теории поля такому закону должны отвечать переносчики взаимодействия, масса которых в точности равна нулю. Например, кулоновское (электростатическое) отталкивание между электронами можно представить как обмен виртуальным безмассовым фотоном, а потому его сила тоже обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами. Напротив, в теории Юкавы, которая приближенно описывает сильные взаимодействия, переносчик имеет массу, а потому интенсивность юкавских сил экспоненциально падает с увеличением расстояния между частицами. Таким образом, естественно было бы ожидать, что гипотетические гравитоны — переносчики гравитационного взаимодействия — тоже будут иметь нулевую массу. В самом деле, наблюдения за гравитационными волнами, приходящими от двойных систем сливающихся черных дыр или нейтронных звезд, позволили наложить довольно сильные ограничения на массу гравитонов (верхняя граница mg ~ 10−22 электронвольт). Таким образом, поведение гравитации на больших расстояниях довольно хорошо изучено.
С другой стороны, многие альтернативные теории гравитации хорошо воспроизводят закон обратных квадратов на больших расстояниях, но предсказывают новые эффекты на расстояниях порядка нанометров. В этих теориях к безмассовым гравитонам добавляются массивные, влияние которых экспоненциально быстро затухает с расстоянием. Примером такой теории может выступать модель Аркани-Хамеда (Nima Arkani-Hamed), в которой гравитация компактифицируется путем включения в теорию дополнительных пространственных измерений. Поэтому необходимо проверить, работает ли на небольших расстояниях стандартный закон обратных квадратов, чтобы подтвердить или исключить подобные теории.
Подобную экспериментальную проверку описывает в своей статье группа ученых под руководством Тамаки Йошиока (Tamaki Yoshioka). Для этого исследователи использовали рассеяние нейтронов на молекулах благородных газов. Поскольку нейтроны и молекулы в целом электрически нейтральны, сила электрического отталкивания для них пренебрежимо мала, и тонкие эффекты, к которым может привести обмен новой массивной частицей, теоретически можно увидеть на практике. В самом деле, при включении в теорию новой массивной частицы к обычному потенциалу Ньютона добавляется экспоненциально затухающий член — следовательно, полное сечение рассеяния нейтронов на молекулах изменяется. Разумеется, чем больше масса частицы, тем слабее проявляется ее действие. Измеряя сечение рассеяния и проверяя, при каких параметрах теория лучше всего согласуется с практикой, можно определить ограничения на массу гипотетической частицы.
Именно такую проверку и провели авторы в своей работе. В качестве источника нейтронов выступала установка NOP (The Neutron Optics and Physics beam line), работающая в рамках ускорительного комплекса J-PARC. Полученные на установке нейтроны направлялись в камеру, заполненную гелием-4 или ксеноном-131, которые очищались от примесей с помощью «выпечки» (bake out) — одновременного нагревания и понижения давления в газе. Затем рассеянные нейтроны регистрировались с помощью детектора, заполненного молекулами гелия-3 и определяющего величину отклонения частицы от центра установки. Наконец, смещение нейтронов пересчитывалось в скорость, что позволяло построить зависимость сечения рассеяния от переданного молекулам импульса.
После того, как ученые завершили сбор экспериментальных данных, они проанализировали их, разделив вклад в сечение рассеяния различных взаимодействий и подобрав с помощью численных расчетов такие параметры теории, которые лучше всего объясняли измеренные значения сечений. Интересно, что несмотря на нулевой заряд нейтрона и молекул газов в целом, распределение зарядов в их объеме тоже сказывается на величине сечения, а потому физики его тоже учли. В результате ученые исключили большую область на плоскости параметров λ — α (λ — это комптоновская длина волны, то есть обратная масса частицы, а α — множитель, который описывает величину силы при фиксированном расстоянии). Если кратко, то исследователи показали, что закон обратных квадратов хорошо работает вплоть до расстояний порядка 0,1 нанометра.
В мае 2016 года японские астрономы впервые проверили работу Общей теории относительности для красных смещений z ~ 1,4, что отвечает световым лучам, шедшим до Земли более 13 миллиардов лет. В ноябре прошлого года ученые показали, что возможные нарушения лоренц-инвариантности ОТО и Стандартной модели не внесли сколько-нибудь заметный вклад в движение Луны и приливные эффекты. А в декабре французский спутник Microscope подтвердил, что гравитационная и инертная масса тел совпадает с очень хорошей точностью (их отношение может отличаться от единицы не более чем на 10−14). Ни один из перечисленных выше экспериментов не нашел отклонений от классической теории гравитации.
Дмитрий Трунин
Один компьютер — на сверхпроводящих контурах, другой — на ионах в ловушках
Сразу две группы физиков сообщили о результатах по симуляции неабелевых энионов на квантовом процессоре. Группа Google Quantum AI использовала для этого сверхпроводящий квантовый компьютер — их результаты опубликованы в журнале Nature. Группа Quantinuum воспользовалась квантовым компьютером на ионах в ловушках. Ознакомиться с их исследованием можно по препринту. Энионами называют класс частиц и квазичастиц, которые занимают промежуточное положение между бозонами и фермионами относительно того, как меняется волновая функция после перестановки двух частиц из пары. Их существование возможно только в двумерном пространстве. Интерес к энионам обусловлен тем, что, переставляя их, можно проводить топологически защищенные квантовые вычисления. Подробнее об этом читайте в материалах «Наплели моду» и «Спиновая жидкость». Важное условие для этого — неабелевость энионов. Так называют ситуацию, при котором операторы перестановки не коммутируют. Другими словами, важны не только сами частицы, но и последовательности их перестановок. Обычно это представляют в виде переплетения мировых линий частиц. Поиск неабелевых энионов (или неабелеонов) велся по большей части в твердотельных платформах. Физики пытались найти квазичастицы с такими свойствами. Другой подход основан на симуляции неабелеонной волновой функции с помощью ресурсов квантового процессора. Именно это удалось недавно сделать двум группам: команде Google Quantum AI, работающей на сверхпроводящем квантовой компьютере, и команде Quantinuum, в распоряжении которой есть квантовый компьютер на ионах. Работа физиков из Google во многом пересекается с исследованием, в котором они доказали выгоду от масштабирования коррекции ошибок с помощью поверхностного кода (мы рассказывали об этом недавно). Поверхностным кодом называется объединение нескольких физических кубитов в один логический. Такой подход позволяет исправлять потерю квантовой информации, вызванную декогеренцией. В новом исследовании роль неабелевых энионов играли определенные дефекты в поверхностном коде, представленном в виде квадратного графа. Дефекты имели топологический характер, а потому демонстрировали нужные свойства. Физики показали, что, перемещая дефекты по графу, можно проводить плетение и кодировать таким способом квантовую информацию. Процессор позволил создать восемь неабелионов, которые авторы использовали, чтобы закодировать три логических кубита и перевести их в состояние Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ состояние). Таким образом физики показали, что логические кубиты на основе неабелевых энионов в сверхпроводящем квантовом процессоре потенциально пригодны для квантовых вычислений. Физики из Quantinuum работали на квантовом компьютере H2, который состоит из 33 ионов иттербия, удерживаемых в чипе электронными ловушками. Стартовой точкой в этом исследовании стало запутывание 27 из них в состояние, которое можно было бы описать с помощью решетки кагомэ с периодическими граничными условиями. Такую решетку проще всего представить свернутой в тор. Полученная поверхность представляла собой виртуальное двумерное пространство, в котором могли существовать неабелевы энионы. Физики возбуждали их парами, применяя определенные логические операторы к запутанному состоянию. Они убедились, что движение возбуждений по решетке имеет неабелев характер и допускает плетение. Таким путем они создали из мировых линий трех неабелеонов топологические кольца Борромео. Манипуляции с топологией привлекают большое внимание ученых. Эти исследования были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году. Подробнее о том, за что ее вручили, мы рассказывали в материале «Топологически защищен».