Бозе-конденсат поможет проверить эффект Унру
Физики предложили использовать квантовый симулятор для воссоздания эффекта Унру. Они показали, что его возникновение теоретически возможно в системе из конденсата Бозе — Эйнштейна и лазерных пучков. Если предложенный эксперимент удастся реализовать, то в споре о существовании эффекта Унру можно будет поставить точку. Работа опубликована в Physical Review Letters.
Суть эффекта Унру состоит в том, что в разных системах отсчета вакуум представляет собой разные состояния. Если наблюдатель двигается в вакууме с большим ускорением, то он может наблюдать рождение частиц, температура которых зависит от величины его собственного ускорения. При этом покоящийся наблюдатель не увидит никаких частиц. Подробнее об этом эффекте и его связи с излучением Хокинга мы писали в материале «Что общего между излучением Хокинга и эффектом Унру?». Эффект Унру контринтуитивен и вызывает скепсис ученых, поэтому вопрос о его проверке становится все более привлекательным для экспериментаторов. С другой стороны, для наблюдения эффекта Унру требуются ускорения порядка 1026 метров в секунду в квадрате, что очень сложно реализовать в лаборатории.
Успехи в моделировании таких сложных релятивистских эффектов квантовой теории поля демонстрируют квантовые симуляторы. Они позволили впервые наблюдать такие фундаментальные явления как излучение Хокинга от аналога черной дыры или динамический эффект Казимира.
Теперь ученые из университета Ноттингема под руководством Силке Вайнфуртнер (Silke Weinfurtner) предложили использовать квантовый симулятор для проверки эффекта Унру. Они взяли за основу конденсат Бозе — Эйнштейна, на который направляли лазерные пучки в разных режимах.
Идея эксперимента заключается в том, что бозе-конденсат при нулевой температуре представляет собой вакуум для квазичастиц-фононов, поэтому их поведение при рассмотрении равноускоренных систем отсчета может быть связано с эффектом Унру. Авторы предлагают пропускать через охлажденное облако конденсата лазерный пучок и следить за возникающими в нем возмущениями. Важно, что детектировать такие слабые возмущения возможно, только если исключить или значительно сократить влияние самого лазерного пучка на бозе-конденсат. Для этого ученые предлагают использовать сразу два пучка с частотами, отстроенными от резонанса атомов конденсата в разных направлениях. Кроме выигрыша в чувствительности, два луча с разными частотами, которые двигаются по одному и тому же оптическому пути, образуют интерферометр и любые флуктуации вакуума (бозе-конденсата) можно будет задетектировать. К ним будет чувствителен фазовый сдвиг двух этих пучков.
При прямолинейном пропускании пучков через облако бозе-конденсата ученые не предсказывают возникновения флуктуаций вакуума. Для их возбуждения они планируют вращать лучи равноускоренно по окружности внутри конденсата и следить за их разностью фаз с помощью фотодетекторов.
Физики показали, что теоретическое описание их эксперимента соответствует модели, которая лежит в основе эффекта Унру, поэтому сейчас они работают над улучшением технических характеристик схемы и в будущем планируют реализовать эксперимент на ее основе. Тем не менее в текущем виде схему можно использовать для экспериментов с другими квантовыми системами (например, сверхтекучим гелием).
Пока авторы ломали голову над тем, как реализовать эксперимент по проверке эффекта Унру, физики-теоретики из Польши, США и Канады показали, что массивные частицы эффекта Унру не получится увидеть напрямую.
Оксана Борзенкова
Точность эксперимента в два с половиной раза превзошла предыдущие
Физики подтвердили нулевое значение дипольного момента электрона с точностью в два с половиной раза выше предыдущей. Для этого ученые поместили ионы гафния в сверхсильное электрическое поле и измерили разность энергий их различных квантовых состояний. Исследование позволит лучше ограничить константы физики за пределами Стандартной модели, пишут ученые в Science. Электрический дипольный момент электрона — мера внутренней асимметрии распределения его заряда. Согласно предсказаниям Стандартной модели, его значение хоть и не равно нулю, но чрезвычайно мало: не более 10-38 заряда электрона на сантиметр. Поэтому в пределах доступной сейчас чувствительности эксперимента (10-30 заряда электрона на сантиметр — это выше искомого значения на восемь порядков) дипольный момент считают нулевым. Вклад в теоретическое значение вносит нарушение CP-симметрии (сочетание зарядовой симметрии и симметрии четности), которое возникает из-за слабого взимодействия между частицами. Это нарушение уже является частью Стандартной модели. Однако дополнительные нарушения, значения которых превышают текущие теоретические значения, смогли бы объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной (подробнее об этом читайте в нашем материале «Вселенная вместо ничто»). Такие нарушения в теории можно ввести лишь при расширении Стандартной модели частицами Новой физики. Кандидатов на роль нарушителей довольно много: например, портал Хиггса, хамелеоновские частицы и B−L бозоны нарушают CP-симметрию при высоких энергиях. Подобные измерения уже проводились, однако в рамках заданной точности эксперимента (10-29) значение оказалось равным нулю, и, следовательно, наличие новых частиц эксперимент не подтвердил. Повысить точность довольно сложно — нужны сверхсильные электрические поля (больше 20 гигавольт на сантиметр). Чтобы проверить, не отличается ли все же дипольный момент электрона от нуля, группа ученых из Колорадского университета под руководством Тани Русси (Tanya S. Roussy) создала в ионной ловушке поле с напряженностью 23 гигавольта на сантиметр и поместила в нее ионы гафния HfF+. Благодаря этому физики повысили точность измерения дипольного момента электрона на порядок. Во внешнем электрическом поле ионы гафния HfF+ выстраиваются вдоль силовых линий, создавая эффективное электрическое поле, которое воздействует на спин электрона. Ученые фиксировали разность энергий между двумя дублетными состояниями иона, которая чувствительна к наличию дипольного момента. У одного состояния внутримолекулярная ось (ось, перпендикулярная плоскости движения пары электронов дублетного состояния) параллельна приложенному полю, у другого — антипараллельна. Значение разности получали измерением частоты перехода из одного квантового состояния в другое с помощью спектроскопии Рэмси, основанной на явлении магнитного резонанса. Cравнив измеренную разность энергий с теоретической (по предсказаниям Стандартной модели), ученые определили значение дипольного момента. Оно оказалось равным нулю с погрешностью менее 4,1 × 10-30 заряда электрона на сантиметр. Благодаря повышению точности исследователям удалось получить новые оценки для расширений Стандартной модели, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии. Эффективная масса их бозонов должна быть более 40 терраэлектронвольт. Это на порядок больше максимальной массы частиц, детектируемых Большим адронным коллайдером. А значит, при дальнейшем увеличении точности метода можно обнаружить частицы, невидимые в экспериментах физики высоких энергий. Ученые продолжают искать следы новой физики в экспериментах по определению квантовых характеристик элементарных частиц. Физики уже обнаружили отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона, а недавно улучшили оценку магнитного момента электрона.