Утечки энергии решили проблему космологической постоянной
Физики-теоретики из Франции и США предположили, что наблюдаемое значение космологической постоянной объясняется «утечками» энергии, происходящими из-за взаимодействия материи и дискретной структуры, лежащей в основе геометрии пространства-времени. Хотя новая теория не позволяет рассчитать космологическую постоянную непосредственно, единственный параметр в ней оказывается порядка единицы. К сожалению, проверить теорию на практике невозможно, поскольку для наблюдаемого малого значения космологической постоянной нужны слабые «утечки», которые невозможно измерить в эксперименте. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Когда Эйнштейн строил Общую теорию относительности (ОТО), он добавил в уравнения движения космологическую постоянную, которая противодействовала гравитационному сжатию Вселенной и позволяла ей оставаться стационарной. После того, как Хаббл открыл расширение Вселенной, физик отказался от космологической постоянной и даже называл ее «самой большой ошибкой моей жизни». Однако в 1998 году астрономы обнаружили, что Вселенная не просто расширяется, но расширяется ускоренно. Для этого ученые сопоставили скорость и красное смещение далеких сверхновых звезд. Несколько лет спустя это наблюдение было подкреплено наблюдениями спутников WMAP и Planck, которые заставили физиков окончательно поверить в космологическую постоянную и восстановить ее в уравнении Эйнштейна. В настоящее время ученые считают, что космологическая постоянная примерно равна 6×10−10 джоулей на кубический метр.
Проблема в том, что это значение невозможно объяснить теоретически. На первый взгляд кажется, что космологическая постоянная естественным образом возникает при объединении ОТО и Стандартной модели. В самом деле, в квантовой теории поля, частным случаем которой является Стандартная модель, энергия вакуума не обязательно равна нулю. Например, энергия основного состояния квантового гармонического осциллятора с частотой ω равна ℏω/2 > 0. Если плотность энергии вакуума будет больше нуля, она заставит пространство расширяться, то есть фактически будет играть роль космологической постоянной. Однако в действительности значение космологической постоянной, рассчитанное таким способом, превышает ожидаемое значение на 120 порядков. По словам Ли Смолина, это «наихудшее предсказание, когда-либо сделанное научной теорией».
Физики-теоретики Алехандро Перес (Alejandro Perez) и Даниил Сударский (Daniel Sudarsky) попытались объяснить это противоречие и теоретически получить правдоподобное значение космологической постоянной. В основе предложенной теории лежит два основных принципа: дискретность пространства-времени на планковских масштабах и лоренц-инвариантность теории на низких энергиях. Правда, в отличие от стандартного подхода к дискретному пространству-времени, которое служит «пустой ареной для материи», физики считают, что материя и дискретные структуры могут обмениваться энергией. По словам ученых, этот взгляд совпадает с идеологией ОТО: в ОТО метрика не имеет физического смысла, пока нет материи, которая может ее «почувствовать».
В качестве «пробника», который чувствует взаимодействие степеней свободы материи и геометрии, ученые выбрали след тензора энергии-импульса (ТЭИ). С одной стороны, если этот след не равен нулю, в теории обязательно есть массивные степени свободы. С другой стороны, благодаря уравнению Эйнштейна след ТЭИ пропорционален скалярной кривизне. Из-за взаимодействия между материей и дискретной структурой, лежащей в основе геометрии пространства-времени, энергия материи постепенно должна убывать, причем скорость убывания пропорциональна кривизне пространства-времени, а также зависит от массы, скорости и спина частицы. Чтобы вписать потери энергии в ОТО, ученые заменили уравнение Эйнштейна уравнением унимодулярной гравитации — простейшим расширением ОТО, в котором не сохраняется тензор энергии-импульса. Наконец, ученые проинтегрировали по времени ток, нарушающий закон сохранения.
В результате ученые получили вклад в уравнение Эйнштейна, смысл которого совпадает с космологической постоянной. Правда, значение постоянной зависит от безразмерного параметра α, который невозможно зафиксировать в рамках новой теории. Тем не менее, если подставить в полученное выражение параметры молодой Вселенной, в которой только что разделились слабые и электромагнитные силы, этот параметр будет примерно равен единице. Это означает, что теория по крайней мере проходит проверку на «естественность».
К сожалению, проверить предсказание модели Переса и Сударского на практике невозможно: чтобы «подогнать» ее под маленькую космологическую постоянную, «утечки» должны быть очень слабыми. По оценкам ученых, скорость потери энергии, то есть уменьшения плотности материи Вселенной за счет предсказанного процесса составляет примерно α×(ρ/ρwater)×10−70 грамм на сантиметр кубический на секунду. Здесь ρwater — это плотность морской воды, ρwater ≈ один грамм на сантиметр кубический. Максимальная плотность энергии, которая достигаласт в молодой Вселенной, составляла примерно ρ ≈ 1025 грамм на сантиметр кубический, а время эволюции — это время Хаббла. Даже если подставить в уравнение эти фиксированные максимальные значения, относительное изменение плотности не превысит α×10−51. Такое крошечное изменение практически не скажется на динамике материи, и почувствовать его в эксперименте будет невозможно.
В январе этого года физики-теоретики Тодд Брун (Todd Brun) и Леонард Млодинов (Leonard Mlodinow) предложили схему эксперимента, с помощью которого можно проверить, дискретно ли наше пространство-время. В основе эксперимента лежит нейтронный интерферометр Маха — Цандера. Отличительной особенностью эксперимента является высокая точность и сравнительная простота проведения, благодаря которой его можно поставить уже при текущем уровне развития техники.
Помимо однотипных интерпретаций темной материи и темной энергии, которые пытаются объяснить их с помощью новых частиц или гипотетических квантовых теорий гравитации, иногда физики высказывают и более оригинальные идеи. Например, в ноябре прошлого года астрофизик Джейми Фарнс придумал космологическую модель, в которой отрицательная масса производится с постоянной скоростью в течение всей эволюции Вселенной.
Оказалось, что в рамках этой модели можно объяснить большинство эффектов, традиционно приписываемых темной материи и темной энергии — в частности, расширение Вселенной, образование крупномасштабной структуры Вселенной и галактического гало, кривые вращения галактик и наблюдаемый спектр реликтового излучения. Впрочем, из-за концептуальных проблем, которые возникают в этой теории, новая модель не нашла широкого признания среди физиков: несмотря на крайне высокое количество скачиваний статьи (11 тысяч в первый месяц), с момента выхода ее процитировали только три работы.
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.