Нарушение зеркальной симметрии обратит притягивающую силу Казимира
Физики из Швеции и США придумали способ, с помощью которого можно обратить силу Казимира, притягивающую параллельные металлические пластины. Для этого ученые предложили заполнить пространство между пластинами средой, не обладающей зеркальной симметрией, то есть различающей левые и правые фотоны. Теоретически, открытие ученых может решить проблему «склеивания» частей нанометровых машин. Статья опубликована в Physical Review B, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир обнаружил, что две проводящие пластины, помещенные в абсолютный вакуум, притягиваются друг к другу за счет вакуумных флуктуаций, то есть за счет рождения виртуальных частиц. Качественно этот эффект можно объяснить следующим образом. Квантовая теория поля утверждает, что пространство никогда не бывает пустым: даже в абсолютном вакууме постоянно рождаются и сразу же исчезают виртуальные фотоны и пары частица—античастица. Избавиться от виртуальных частиц принципиально нельзя. Тем не менее, если наложить на вакуум специальные граничные условия, можно запретить рождение частиц с определенными параметрами. Например, в пространстве между двумя проводящими плоскостями могут рождаться только фотоны с резонансной частотой, которые отвечают стоячим волнам, «зажатым» между пластинами. В пространстве снаружи пластин таких ограничений нет. Следовательно, давление виртуальных фотонов внутри пластин меньше, чем снаружи, и пластины будут притягиваться. Грубо говоря, можно сказать, что вакуум внутри пластин «откачан» сильнее, чем снаружи. Более подробное объяснение эффекта можно прочитать в статье «Энергия вакуума: Эффект Казимира».
Вскоре после открытия Казимира Евгений Лифшиц обобщил эти результаты на случай тел произвольной формы и состава. В частности, из его расчетов следовало, что два материала с одинаковыми диэлектрическими проницаемостями не могут отталкиваться за счет силы Казимира. В 2006 году Одед Кеннет (Oded Kenneth) и Израэль Клинч (Israel Klich) строго доказали это предположение для произвольных немагнитных тел, являющихся зеркальными копиями друг друга. Этот результат имеет не только теоретическое, но и практическое значение. В самом деле, для нанометрового устройства сила Казимира играет роль «универсального клея», которые мешает двигаться частям машины. Из теоремы Кеннета и Клинча же следует, что избавиться от этого «клея» геометрическими методами невозможно.
Тем не менее, физики Цинь-Дун Цзянь (Qing-Dong Jiang) и Фрэнк Вильчек (известный нобелевский лауреат) предложили альтернативный способ, с помощь которого притягивающую силу Казимира можно превратить в отталкивающую. Для этого ученые заметили, что классический вывод силы Казимира не различает левые и правые фотоны. В частности, при доказательстве своей «запрещающей» теоремы Кеннет и Клинч существенно полагаются на зеркальную симметрию, которая меняет левые и правые фотоны местами. Следовательно, если пространство между симметричными объектами не будет уважать эту симметрию, условия теоремы (которые предполагались неявно) выполняться не будут, и силу Казимира удастся обратить.
Чтобы проверить это предположение, ученые повторили классический вывод силы Казимира, рассчитав статсумму и энергию системы с учетом отличий между левыми и правыми фотонами. Для простоты физики рассматривали систему двух параллельных идеально отражающих пластин, пространство между которыми было заполнено средой, нарушающей зеркальной симметрию. В такой системе s- и p-поляризованные волны больше не являются собственными состояниями оператора рождения фотонов, поэтому физики работали в хиральном базисе, в котором фотоны имеют определенную поляризацию (левую или правую).
В качестве среды, нарушающей зеркальную симметрию, физики рассмотрели два кандидата. Первый кандидат — это материал, в котором наблюдается эффект Фарадея, то есть в котором плоскость поляризации фотонов поворачивается под действием магнитного поля. Второй кандидат — оптически активная среда, которая также поворачивает плоскость поляризации фотонов. Кроме того, ученые численно рассчитали силу Казимира для таких материалов при конечной температуре. Во всех случаях исследователи получили, что сила не только может быть отталкивающей, но также может в несколько раз превысить стандартную силу Казимира между пластинами, разделенными пустым пространством.
Стоит отметить, что теорема, доказанная Кеннетом и Клинчем, запрещает отталкиваться только телам одинаковой формы, тогда как сила Казимира между разными телами может быть направлена в произвольную сторону. Например, в 2009 году группа ученых под руководством Джереми Мандея (Jeremy Munday) заставила золотой шарик левитировать над кремниевой поверхностью за счет силы Казимира. Для этого физики заполнили пространство между телами бромбензолом. Впоследствии ученые также добились отталкивания тел другой формы. Тем не менее, силы отталкивания, которые наблюдались в этих экспериментах, очень малы, а потому заметить их — и тем более использовать в прикладных целях — сложно.
В апреле 2017 года физики из Китая и США создали микросхему, в которой эффект Казимира используется в обратном виде — наноструктуры отталкиваются, а не притягиваются друг к другу. Чтобы добиться такого поведения, ученые изменили форму пластин, превратив их в «расчески» с Т-образными зубьями. А в январе 2018 американские исследователи впервые измерили силу Казимира между двумя золотыми микросферами.
Дмитрий Трунин
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.