Движение планет ограничило массу гравитона
Астрономы использовали известные параметры и траектории планет для поиска массы гравитона — гипотетической частицы-переносчика силы гравитации. Искомого значения выделить не удалось, но при этом было поставлено верхнее ограничение: масса гравитона должна быть меньше 6,76×10−23 электронвольт, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
Современная теория гравитации — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна — «классическая» теория в том смысле, что она получена без использования формализма квантовой механики. С точки зрения физики частиц ОТО можно сформулировать как теорию взаимодействия, переносчиком которого является безмассовая частица со спином, равным двум, которую называют гравитон.
С точки зрения теоретической физики поведение безмассовой частицы-переносчика и частицы, обладающей даже небольшой массой, заметно отличается. В частности, безмассовая частица по определению должна двигаться в вакууме строго с той же скоростью, что и фотоны, то есть со скоростью света. Также масса частицы-переносчика взаимодействия порождает эффективный радиус действия. Подробнее об этом мы говорили в материале «Тяжелый фотон».
Существует несколько способов оценки массы гравитона. В частности, космологические наблюдения темпа расширения пространства позволяют установить наиболее жесткие ограничения: согласно им гравитон должен быть легче 10−32 электронвольт. Однако такой способ оценки опирается на несколько допущений, к тому же было бы преувеличением считать наше понимание эволюции Вселенной всеобъемлющим. В любом случае, ученые стремятся получить несколько независимых результатов из разных экспериментов.
Несколько десятков лет назад появились первые работы, в которых оценивалась влияние массы гравитона на движение планет в Солнечной системе. Подобный эффект должен возникать из-за того, что в случае массивного гравитона в гравитационном потенциале присутствует второе экспоненциальное слагаемое, что делает его подобным потенциалу Юкавы для сильного взаимодействия. В результате он начинает спадать быстрее чем 1/r, как в ньютоновском случае.
Ученые при участии Лео Бернуса (Leo Bernus) из Национального центра научных исследований Франции провели новую оценку массы гравитона на основе положений планет, которая отличается от предшествующих в двух аспектах. Во-первых, в ней используются самые точные измерения параметров тел, а во-вторых — она лишена неявных предположений, делающих выводы менее надежными.
Астрономы использовали устоявшуюся методологию: выбрали в качестве начального конкретный момент времени, для которого координаты планет известны с высокой точностью, вычислили в рамках модели положения в другой момент времени, и сравнили полученные данные с наблюдениями. Однако для проведения такой процедуры необходимо сперва вычислить параметры планет, например, массу. Для этого надо воспользоваться описывающими гравитацию уравнениями, но если использовать стандартные, не учитывающие возможность наличия массы у гравитона, то результаты будут всегда смещены в пользу ОТО.
Авторы учли это обстоятельство, а также использовали эфемериды планет из модели INPOP17b, которая считается самой точной на данный момент. В качестве начальной точки астрономы выбрали 2000 год, вычисляя положение планет в 1913 и 2017 годах, а затем сравнили с реальными данными. Оказалось, что с вероятностью в 90 процентов масса гравитона не превышает 6,76×10−23 электронвольт, что соответствует комптоновской длине волны, на которой происходит экранировка взаимодействия, в 1,83×1013 километров.
Такого же порядка ограничения получаются при анализе данных о зафиксированных интерферометрами LIGO гравитационных волнах. Однако авторы отмечают, что близость оценок в данном случае исключительно случайна, так как для них были использованы совершенно разные данные и эксперименты, поэтому выводы совершенно независимы. Также ученые ранее описали идею гравитационно-волнового пинцета.
Тимур Кешелава
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.