Читать книгу "Млечный Путь № 3 2021 - Далия Мейеровна Трускиновская"

четырех известных физических взаимодействиях. Электроны взаимодействуют друг с другом посредством электромагнитной силы. Кварки взаимодействуют друг с другом посредством сильного взаимодействия. И так далее.

Но если просто экспортировать известную физику в сферу темного вещества не удается, то, возможно, пришло время взглянуть на совершенно новые силы. Танедо и его сотрудники пытались сделать именно это и описали свою работу в статье, опубликованной в Journal of High Energy Physics. Их новая модель значительно расширяет возможные модели взаимодействующего темного вещества, позволяя вступить в игру неизвестным силам.

"Цель моей исследовательской программы - расширить идею разговора "темной материи с темными силами, - сказал Танедо. - За последнее десятилетие физики пришли к пониманию того, что управлять взаимодействием темного вещества могут скрытые силы. Они могут полностью переписать правила того, как следует искать темное вещество".

Подход Танедо включает в себя две удивительные особенности. Во-первых, вместо единой силы, которая связывает частицы темного вещества, модель включает бесконечный спектр новых сил, "работающих" вместе. Во-вторых, для модели требуется дополнительное измерение Вселенной, то есть четырехмерное пространство.

Мышление вне Вселенной

Бесконечный спектр сил, каждая из которых представлена новой частицей с разной массой, обеспечивает большую гибкость при построении теории взаимодействия частиц темной материи. И хотя в мире повседневной физики нет аналога такой теории, астрофизики уже знают, что темное вещество не обязательно действует по обычным правилам.

В теориях, объясняющих известную физику, когда две частицы взаимодействуют друг с другом, они делают это, обмениваясь одним типом частиц, которые и ответственны за взаимодействие. Например, два электрона отскакивают друг от друга, обмениваясь фотонами, носителями электромагнитной силы. Новая модель Танедо заменяет это единичное взаимодействие континуумом или спектром взаимодействий, работающих вместе, чтобы взаимодействие произошло.

"Моя исследовательская программа нацелена на одно из предположений, которые мы делаем о физике элементарных частиц: взаимодействие частиц хорошо описывается обменом большим количеством частиц, - сказал Танедо. - Хотя это верно для обычного вещества, нет никаких оснований предполагать это для темного вещества. Их взаимодействия можно описать континуумом обмениваемых частиц, а не просто обменом силовых частиц одного типа".

Что касается добавления дополнительного измерения, команда Танедо позаимствовала уловку, используемую в других теориях физики частиц высоких энергий. С помощью замечательной, но еще не полностью проверенной концепции, известной как соответствие AdS/CFT ("AdS" означает "анти-де Ситтер", что является разновидностью пространства-времени, а "CFT" означает конформную теорию поля, которая является категорией квантовых теорий), некоторые физические проблемы, которые чрезвычайно трудно решить в нашем нормальном трехмерном пространстве, становятся намного проще, когда они расширяются до четырехмерного пространства.

Используя этот математический трюк, Танедо и его сотрудники смогли решить, как силы темного вещества будут взаимодействовать друг с другом. Затем они могли бы перевести свои результаты в три измерения пространства и сделать прогнозы, как эти силы будут действовать в реальной Вселенной. Они обнаружили, что эти силы ведут себя совершенно иначе, чем силы природы, к которым мы привыкли.

"Что касается гравитационных или электрических сил, то в нашем трехмерном мире, когда вы удваиваете расстояние между двумя частицами, вы уменьшаете силу в четыре раза, - сказал Танедо. - С другой стороны, непрерывная сила уменьшается до восьми раз".

Эта модификация самовзаимодействия между частицами темного вещества позволила исследователям построить симуляции, которые соответствуют наблюдениям за небольшими галактиками.

Космологи используют темное вещество для объяснения множества различных наблюдений во Вселенной в самых разных масштабах. Дальнейшая работа покажет, соответствует ли эта экзотическая теория вселенной, которую мы видим.

***

Квантовый кристалл

Адам Манн

Рис

Используя причуду квантовой механики, исследователи создали кристалл бериллия, способный обнаруживать невероятно слабые электромагнитные поля. Однажды эту работу можно будет использовать для обнаружения гипотетических частиц темного вещества, называемых аксионами.

Исследователи в Университете Колорадо в Боулдере создали квантовый кристалл, уловив 150 заряженных частиц или ионов бериллия с помощью системы электродов и магнитных полей, которые помогли преодолеть их естественное отталкивание друг от друга.

Когда Рей и ее коллеги захватили ионы своей системой полей и электродов, атомы самоорганизовались в плоский лист, вдвое толще человеческого волоса. Этот организованный коллектив напоминал кристалл, вибрирующий при воздействии какой-либо внешней силы.

"Когда вы возбуждаете атомы, они не двигаются по отдельности, - сказала Рей. - Они движутся как единое целое". Когда этот "кристалл" бериллия сталкивался с электромагнитным полем, он двигается в ответ, и это движение можно преобразовать в измерение напряженности поля.

Но измерения любой квантово-механической системы подчиняются ограничениям, установленным принципом неопределенности Гейзенберга, который гласит, что определенные свойства частицы, такие, как ее положение и импульс, не могут быть известны одновременно с высокой точностью. Команда придумала способ обойти этот принцип с помощью запутанности, когда атрибуты квантовых частиц неразрывно связаны друг с другом.

"Используя запутанность, мы можем почувствовать вещи, которые иначе были бы невозможны", - сказала Рей. В этом случае она и ее коллеги запутали движения ионов бериллия с их спинами. Квантовые системы напоминают крошечные вершины, а вращение описывает направление, скажем, вверх или вниз, куда указывают эти вершины. Когда кристалл вибрирует, он перемещается на определенное расстояние. Но из-за принципа неопределенности любое измерение этого смещения или количества перемещенных ионов будет зависеть от пределов точности и содержать много того, что известно как квантовый шум. Чтобы измерить смещение, нужно смещение больше, чем квантовый шум. Запутанность между движениями ионов и их спинами уменьшает шум, позволяя исследователям измерять сверхмалые флуктуации в кристалле.

Ученые протестировали систему, послав через нее слабую электромагнитную волну и увидев ее вибрацию. Работа описана в журнале Science. Кристалл уже в 10 раз более чувствителен при обнаружении сверхмалых электромагнитных сигналов, чем предыдущие квантовые датчики. Но команда считает, что с большим количеством ионов бериллия они могли бы создать еще более чувствительный детектор, способный искать аксионы.

Аксионы - это сверхлегкие частицы темного вещества с массой в миллион или миллиард раз меньше массы электрона. Некоторые модели аксиона предполагают, что он может иногда превращаться в фотон, и в этом случае он перестанет быть темным и будет производить слабое электромагнитное поле. Если бы какие-либо аксионы пролетели через лабораторию, содержащую этот кристалл бериллия, кристалл мог бы уловить их присутствие.

"Я думаю, это прекрасный результат и впечатляющий эксперимент", - сказал Дэниел Карни, физик-теоретик из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, который не принимал участия в исследовании. Карни считает, что, помимо помощи в поисках темного вещества, эта работа может найти множество применений, таких как поиск паразитных электромагнитных полей от проводов в лаборатории или поиск дефектов в материале.

***

Можем ли мы остановить время?

Адам