Физики приспособили двойные пульсары для поиска несоответствий инертной и гравитационной массы
Физики из Великобритании и Германии нашли альтернативный способ проверки принципа эквивалентности в гравитационном поле темной материи, собранной в центре нашей галактики. Для этого ученые предлагают использовать двойные пульсары, период вращения которых будет изменяться под действием силы, нарушающей принцип. Рассчитанное таким образом ограничение на параметр Этвёша составило примерно ηDM < 0,004, то есть сравнимо с земными экспериментами. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В теории гравитации Ньютона и Общей теории относительности важную роль играет принцип эквивалентности, который утверждает, что гравитационная и инертная масса каждого тела равны и не зависят от его состава. Другими словами, без связи с внешним миром невозможно выяснить, находится наблюдатель в однородном гравитационном поле или в равномерно ускоряющейся неинерциальной системе отсчета — космонавты, находящиеся на борту звездолета, летящего с ускорением 9,8 метров в секунду в квадрате, будут уверены, что он продолжает стоять на Земле. Тем не менее, до сих пор не понятно, почему этот принцип выполняется. Физикам неизвестны такие фундаментальные свойства природы, из которых принцип эквивалентности вытекал бы естественным образом, — как, например, уравнение Эйнштейна вытекает из однородности и изотропности пространства-времени. Поэтому ученые разработали огромное число теорий, в которых этот принцип нарушается, и ищут эти нарушения в различных экспериментах с постепенно увеличивающейся точностью.
Как правило, отклонения от принципа эквивалентности оценивают с помощью параметра Этвёша η (Eötvös parameter). Чтобы вычислить этот параметр, нужно измерить ускорения двух пробных тел различной массы, помещенных в гравитационное поле третьего тела, и разделить их разность на полусумму. Чем слабее нарушается принцип эквивалентности, тем меньше получается величина η; в случае равенства гравитационной и инертной масс параметр Этвёша в точности равен нулю. В настоящее время экспериментальные ограничения на параметр η составляют примерно |ηe| < 10−14 в поле Земли и |ηs| < 10−13 в поле Солнца. Важно заметить, что оба этих параметра могут отличаться из-за разного состава притягивающих тел: наибольший вклад в массу Солнца дает водород и гелий, а в массу Земли — железо, кислород, кремний и магний. Если принцип эквивалентности нарушается некоторой неизвестной силой, переносчиками которой выступают безмассовые (или очень легкие) частицы, то отличие между ηe и ηs позволят определить константы связи этих частиц с частицами Стандартной модели. Пока что точности измерительных приборов не хватает, чтобы подтвердить или опровергнуть это отличие, однако физики постоянно улучшают установки.
Кроме того, в 1993 году американский физик Кристофер Стаббс (Christopher Stubbs) заметил, что проверить принцип эквивалентности можно с помощью темной материи, рассматривая в качестве притягивающего тела ее скопление около центра нашей галактики. К сожалению, Солнечная система находится довольно далеко от центра, и сила притяжения темной материи в ее окрестностях невелика (ускорение порядка aDM ~ 10−10 метров в секунду в квадрате). Поэтому ограничение на соответствующий параметр Этвёша, определенное в земных экспериментах, тоже невелико (|ηDM| < 10−5) из-за высокой относительной погрешности измерений.
В новой работе Лицзин Шао (Lijing Shao), Норберт Векс (Norbert Wex) и Михаэль Крамер (Michael Kramer) предложили альтернативный способ проверки принципа эквивалентности и показали, что его точность сравнима с земными экспериментами, а в будущем может быть значительно увеличена. Для этого ученые рассмотрели двойные пульсары — системы, в состав которых входит быстро вращающаяся нейтронная звезда, магнитное поле которых направлено под углом к оси вращения и модулирует приходящее на Землю излучение, а вторым компонентом выступает белый карлик или другая нейтронная звезда. Это позволяет очень точно измерить период вращения звезды вокруг общего центра масс. Если принцип эквивалентности действительно нарушается, на звезды будет действовать дополнительная сила, и период их вращения будет едва заметно изменяться со временем. Измеряя этот период, можно судить о величине нарушающей силы. При этом стоит учитывать, что сила может по-разному действовать на протоны и нейтроны, из которых состоит привычная для нас материя; величину этого воздействия измеряют с помощью констант связи (то есть заряда относительно новой силы, напоминающего электрический заряд) и угла смешивания.
Подобные расчеты ученые выполнили для двойного пульсара PSR J1713 + 0747, имеющего период около 4,6 миллисекунд и находящегося на расстоянии около восьми тысяч парсек от центра галактики; вторым компонентом системы является белый карлик, причем обе звезды обращаются по практически идеально круглым орбитам с периодом около 68 дней. Астрономы наблюдают за этим пульсаром с 1994 года, то есть уже более 20 лет, и за весь период наблюдений частота его сигнала изменилась не более чем на сто наносекунд. Связывая эти данные с параметрами силы, нарушающей эквивалентность, и учитывая воздействие скопления темной материи в центре галактики, физики вычислили ограничение на параметр Этвёша, которое составило примерно ηDM < 0,004.
Стоит отметить, что пульсары — в том числе PSR J1713 + 0747 — и ранее использовались для проверки принципа эквивалентности и других отклонений от Общей теории относительности, однако ограничение на параметры темной материи с его помощью ученые определили впервые. Кроме того, авторы статьи надеются, что в скором времени астрономы откроют более близко расположенные к центру объекты, и тогда ограничения на параметр ηDM можно будет уточнить в несколько тысяч раз. В частности, ожидается, что в рамках проекта SKA (Square Kilometre Array, антенная решетка площадью в квадратный километр) будет найдено около десяти тысяч пульсаров, тысяча из которых будут двойными.
В декабре прошлого года французские ученые опубликовали результаты проверки принципа эквивалентности с помощью спутника Microscope, который обращается вокруг Земли по орбите высотой около 710 километров и очень точно измеряет силу притяжения между двумя металлическими цилиндрами. Измерения спутника наложили самые точные ограничения на нарушение принципа эквивалентности — исходя из собранных им данных, отношение гравитационной и инертной массы тела может отличаться от единицы не больше, чем на 10−14.
Дмитрий Трунин
Статистическая значимость наблюдения составила около семи стандартных отклонений
В эксперименте SND@LHC на Большом адронном коллайдере зарегистрировали мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. Это второй эксперимент на Большом адронном коллайдере, который сообщил о надежной регистрации нейтрино. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Нейтрино — элементарная частица, которая обладает крайне малой массой и слабо взаимодействует с веществом. При этом она играет важную роль в физике. До недавнего времени свойства нейтрино изучали в основном в области низких или сверхвысоких энергий, и широкий диапазон от 350 гигаэлектронвольт до 10 тераэлектронвольт оставался неизученным. Наземным источником нейтрино в этом диапазоне энергий является Большой адронный коллайдер. Однако проблема заключается в том, что большая часть рождающихся в нем нейтрино летит вдоль протонного пучка — в слепой зоне основных детекторов, расположенных на коллайдере. Кроме того, из-за малого сечения взаимодействия, нейтринные события сложно выделить на фоне громадной загрузки детекторов от взаимодействий других частиц. Мы недавно писали, что с этой задачей справился эксперимент FASER, впервые зарегистрировав 153 мюонных нейтрино со статистической значимостью 16 стандартных отклонений. Физики из эксперимента SND@LHC сообщили, что им также удалось зарегистрировать мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. В отличие от эксперимента FASER, который регистрирует нейтрино с псевдобыстротами более 8,5, чувствительная область SND@LHC сдвинута от основной оси ускорителя, в результате чего он покрывает диапазон псевдобыстрот от 7,2 до 8,4. В этой области одним из основных источников нейтрино являются распады очарованных адронов, вклад которых в эксперименте FASER пренебрежимо мал. Детектор состоит из мюонного вето, 830-килограммовой мишени и адронного калориметра. Основная мишень поделена на пять слоев, каждый из которых включает вольфрамовую пластину, ядерную фотоэмульсию и электронный трекер. Данные с фотоэмульсий на данный момент еще обрабатываются, поэтому ученые провели анализ данных, набранных только при помощи электронных трекеров. Физики отобрали 8 событий по их геометрическому расположению в детекторе и сигнатуре, соответствующей ожидаемой от мюонных событий. При этом ожидаемый фон составил 0,086 события. Такое превышение сигнала над фоном исключает нулевую гипотезу на уровне 6,8 стандартного отклонения. Количество нейтринных событий в эксперименте оказалось больше ожидаемых 4,2 события. Однако результаты согласуются с предсказанием на основе компьютерного моделирования в рамках полученных ошибок. Большой адронный коллайдер становится новым инструментом для изучения нейтрино в пока плохо изученной области энергий. О том, какие новые технологии используют при изучении нейтрино в области низких энергий мы беседовали с Дмитрием Акимовым, представителем коллаборации COHERENT.