Закон Ньютона проверили в нанометровом масштабе с помощью рассеяния нейтронов

C. Haddock et al. / Phys. Rev. D

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.