Сверхточный нейтронный эксперимент подтвердил справедливость закона гравитации Ньютона на микроуровне и ограничил возможные характеристики частиц темной материи и энергии.

Закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном в 1687 году, сейчас знает каждый школьник: «два тела притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна массам этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними».  Но, с другой стороны, гравитационные силы – это силы больших тел, а справедлив ли такой закон в микромире? Ответ на этот вопрос получила  международная команда ученых, в составе которой есть и российские ученые, работающие в настоящее время за рубежом.

Высокопоточный реактор в Институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция), производящий нейтроны, используемые в эксперименте.

Нейтроны между двумя пластинами в гравитационном поле Земли могут занимать различные квантовые состояния. Вибрация нижней пластины переводит их из одного состояния в другое, что позволяет провести чрезвычайно точные энергетические измерения.http://www.tuw

Нейтронная турбина PF2 в Институте Лауэ-Ланжевена – механическое устройство, замедляющее (охлаждающее) нейтроны тем же способом, как теннисисты замедляют мяч.https://www.ill.eu/news-events/press-room/press-releases/dark-matter-and-string-theory/

Гравитационный резонансный спектрометр в Венском техническом университете.https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/8740/

Полет брошенного камня кажется гладким, но это всего лишь иллюзия. Гравитационная энергия квантована, то есть имеет множество квантовых состояний. Так как она зависит от высоты, то это означает, что тело может находиться не на любой высоте, а только на определенных уровнях. Камень при движении перескакивает с одного уровня энергии на другой, словно с одной ступеньки на другую. Но разница между уровнями очень мала, и переход происходит настолько быстро, что траектория кажется гладкой. Квантование энергии невозможно заметить для макроскопических тел, но, используя ультрахолодные нейтроны, переходы между уровнями энергии можно увидеть и измерить.

Физики, открывшие несколько лет тому назад квантование гравитационной энергии у нейтронов, теперь использовали этот эффект для проверки законов гравитации на микроуровне, на таких масштабах, на которых ранее никто гравитацию не изучал. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Эксперименты проводили в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция.

Для получения нейтронов с квантованными гравитационными энергетическими состояниями ученые использовали метод гравитационной резонансной спектроскопии, впервые описанный ими в 2011 году. Ядерный реактор производит нейтроны, движущиеся со скоростью 2200 метров в секунду. Затем они замедляются до менее 7 метров в секунду, охлаждаются до долей градуса выше абсолютного нуля и направляются между двумя горизонтальными пластинами.

Нейтроны отскакивают от нижней пластины, представляющей собой идеально гладкое зеркало, в то время как верхняя пластина является поглотителем, который захватывает нейтроны с высокими энергиями, оставляя только частицы в нижнем квантовом состоянии. Нейтроны идеально подходят для такой процедуры, поскольку не имеют электрического заряда. Они «чувствуют» только гравитацию. Пьезоэлектрический кристалл заставлял дрожать зеркало, давая нейтронам энергию, чтобы достигнуть более высокого уровня. Необходимый для этого удар зависит от разницы между уровнями энергии, которые в свою очередь зависят от силы тяжести и, соответственно, от высоты. Измеряя частоту вибрации, физики определяли силу гравитации диапазоне от микрометров до миллиметров с очень высокой точностью. По словам экспериментаторов, их результаты имеют в 100 000 раз большую точность, чем было достигнуто ранее.

В результате установлено, что в пределах измеряемого диапазона и точности ньютоновский закон обратных квадратов для гравитации справедлив. Важность этого экспериментального факта заключается не собственно в подтверждении закона – это хотя и интересно, но было ожидаемо. Важность эксперимента в том, что он ставит ограничения на существование дополнительных «экзотических» сил, которые в соответствии с некоторыми предсказаниями можно было бы увидеть на этих масштабах. Проще говоря, эти силы не были обнаружены, что скажется на развитии теории, например, темной энергии, которая отвечает за ускоренное расширение вселенной.

Дело в том, что некоторые гипотезы, связанные с темной энергией, предсказывали существование особой пятой силы, названной «хамелеон» (гипотетическая частица –  носитель темной энергии). Такое название она получила за то, что диапазон, в котором она действует, резко уменьшается для плотных объектов, «маскируя» ее. Это позволяет объяснить, почему мы не видим ее при наблюдениях Солнечной системы. Однако для микроскопических нейтронов она должна быть существенной и приводить к отличию существующих энергетических уровней от тех уровней, которые связаны только с гравитацией.

В данном эксперименте «хамелеон» обнаружен не был. Это не исключает объяснение темной энергии на основе теории «хамелеона», но ограничивает предел величины этой силы. Чтобы окончательно отказаться от этой гипотезы, надо увеличить точность еще на семь порядков, что представляет очень сложную задачу.

Результаты эксперимента ограничили возможные свойства и кандидата на темную материю, которая по современным представлениям составляет 85% вещества Вселенной, но кажется незаметной, кроме случая гравитационного притяжения на космических масштабах. Полагаемые очень легкими гипотетические частицы аксионы тем не менее должны вызывать отклонение от обычного закона всемирного тяготения на малых расстояниях. Отсутствие этого эффекта в данном эксперименте ограничивает величину взаимодействия.
По материалам Nature