Колебания мюонов в эксперименте «g minus two» подтверждают существование квантовой пены
Оригинал: Wobbling muons hint strongly at the existence of bizarre new physics, Phil Plait, SYFY Wire.
Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога в телеграме или беседы в нашем чате. А еще у меня есть телеграм-канал о космологии.
Мюоны не ведут себя так, как это предсказывается Стандартной моделью. Почему? Это может быть связано с тем, что на них оказывают действие неизвестные субатомные частицы, появляющиеся и исчезающие в квантовой пене — такой вывод сделан в ходе эксперимента g-2, проведенного в лаборатории ускорителей частиц высоких энергий «Fermilab» в Иллинойсе и исследующего поведение мюона, и он говорит нам о том, как мало мы знаем об устройстве Вселенной.
Мюон — субатомная частица, по своим свойствам очень напоминающая электрон: оба с отрицательным зарядом и одинаковым спином, только их масса различается в почти 207 раз. Используя Стандартную модель (СМ), физикам удается объяснить и предсказать поведение такой тяжелой частицы. Например, вращающаяся заряженная частица имеет связанное с ней магнитное свойство, называемое моментом, характеризующееся как мера силы магнитного поля и ориентации частицы. В сравнении с мюоном это будет так: при его нахождении в магнитном поле, частица подвергнется колебанию (прецессии). СМ чрезвычайно точно предсказывает эту прецессию, называемую g-фактором, который близок к значению 2.
В макромире мы привыкли думать, что пространство гладкое и непрерывное, но в квантовом масштабе (порядка 10 -35 метров) пространство становится дискретным. Это значит, что на сверхмалых масштабах оно не может быть пустым, и вместо этого должно, подобно супу, «кипеть и бурлить» от энергообмена. В этом кипящем супе, в науке называемом квантовой пеной, постоянно возникают и аннигилируют частицы.
Credit: Diomedia
К чему речь пошла о пене? Дело в том, что ее воздействие как раз и сказывается на прецессии мюона. Без нее значение g-фактора было бы очень близко к двум, но воздействие виртуальных частиц на мюон вызывает аномальный магнитный момент, то есть отклонение от нормального значения. Более того, Стандартная модель предсказывает значение этого аномального момента, а, чтобы проверить предсказание, и проводится эксперимент «g minus two».
Для того, чтобы определить влияние квантовых флуктуаций на мюон, частицу вводят в очень стабильное магнитное поле и измеряют его колебания, сравнивая результат с теоретическим. Стандартная модель предсказывает значение аномального магнитного момента (АММ) равного 0,00116591810, а результат эксперимента демонстрирует значение 0,00116592061 — разница, кажется, небольшая (всего 0,0002153%), но предсказание должно полностью совпадать с результатом. Полученная различие значит многое: например, то, что существуют неизвестные нам силы, действующие на мюон в квантовом масштабе. Читатель может посчитать такое малое расхождение статистической ошибкой, но вероятность этого очень маловероятна — результаты эксперимента «g minus two» составляют 4,2 сигмы, т.е. шанс ошибки составляет 1 к 38 000 (0,002%).
Кольцевой магнит, на котором проводится эксперимент «g minus two» в Фермилабе. Credit: Fermilab / Reidar Hahn
Очевидно, что полученный результат не идеален, потому команда исследователей намерена проводить эксперимент уже в пятый раз для того, чтобы повысить значение сигмы до «золотого стандарта» — пяти. Если это произойдет, то мы окажемся перед еще одним непаханым полем — природой квантового мира. Стандартная модель довольно-таки успешна: например, она предсказала существование бозона Хиггса, обнаруженного в 2012 году, но ее проблема заключается в том, что есть вещи, которые она предсказать не может. Это было продемонстрировано командой экспериментаторов «g minus two» на примере поведения мюонов, исследование которых манит нас к будущим свершениям и великим открытиям новой, неизвестной нам физике.
Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня есть телеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. Пишите мне в личку или наш чат. Всем добра!
Что такое пространственно-временная пена. Просвещения пост
Понятие пространственно-временной, или квантовой, пены используют для того, чтобы описать предполагаемое строение Вселенной на ее самом фундаментальном уровне. Классическая механика предполагала, что пространство — это как бы некий гладкий субстрат, в котором находятся и взаимодействуют все существующие объекты. И хотя массивные объекты искривляют пространство, его базовая структура не меняется, и оно остается таким же гладким.
Развитие квантовой механики показало, что такая модель пространства не согласуется с теоретическими предсказаниями, и физики выдвинули новую гипотезу. Если на ткань Вселенной можно было бы взглянуть при помощи лупы, выявляющей самый мелкий ее масштаб (порядка так называемой планковской длины — 1,6 х 10^-35 м), то оказалось бы, что пространство теряет свою гладкость и становится похожим на бурлящую поверхность океана.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, чем меньше расстояние, тем больше энергия частиц — можно сказать, что пространству «не нравится», когда его загоняют в угол, и оно начинает протестовать. Со своей стороны, общая теория относительности Эйнштейна постулирует, что энергия искривляет пространство — отсюда и рождается та самая неистовая пена. Уточнение, что пена именно пространственно-временная, указывает, что пространство и время во Вселенной неразрывно связаны между собой и образуют единое целое.
Как «пощупать» пространственно-временную пену?
Эффекты квантовой гравитации столь далеки от реального мира, что, казалось бы, их экспериментальное наблюдение — задача безнадежная не только сегодня, но и в ближайшем будущем. Однако не все так безрадостно: в работе [1] утверждается, что уже в ближайшие годы новое поколение интерферометров сможет «увидеть» квантовое дрожание пространства-времени: так называемую пространственно-временную пену.
Пространственно-временная пена — один из наиболее известных и популяризованных эффектов в квантовой теории гравитации. Считается, что на очень малых расстояниях (порядка планковской длины) пространство имеет не гладкую, плоскую структуру, а хаотично дрожит, флуктуирует. Наглядный образ: пространство имеет губчатую, пенистую структуру, что и отражено в названии.
К каким наблюдаемым эффектам может привести такое дрожание? Оно может повлиять, например, на время распространения светового луча между заданными точками. В самом деле, в искривленном пространстве свет проходит иное расстояние между двумя точками, нежели в плоском. Поскольку искривленность пространства на пути луча флуктуирует во времени, то и расстояние, и время распространения света между двумя точками будет случайно колебаться около некоего среднего значения.
Время распространения луча света измерить непросто, зато вместо этого можно измерять фазу световой волны в конечной точке: ведь она тоже будет флуктуировать. Таким образом, мы приходим к следующей идее: можно попытаться наблюдать флуктуации пространства-времени с помощью интерферометра — прибора, изучающего фактически фазу световой волны. В таком приборе два когерентных световых луча попадают в одну точку по двум разным путям. Поскольку флуктуации пространства, чувствуемые этими лучами, не скоррелированы друг с другом, их относительная фаза в конечной точке будет «скакать» во времени, что приведет к флуктуациям интенсивности суммарной световой волны в этой точке. Регистрация этих колебаний интенсивности и будет экспериментальным наблюдением флуктуаций пространства-времени.
Автор работы [1] приводит теоретическую оценку для относительной величины флуктуаций пространства-времени (или, в переводе на наш эксперимент, величины флуктуации фазы по отношению к полной набежавшей фазе при распространении луча). Считая, что это дрожание представляет собой белый шум, автор оценивает спектральную мощность в 5*10-44Гц-1.
physnews160501
Спектр мощности пространственно-временных флуктуаций и чувствительность современных и будущих интерферометров
Много это или мало? Хватит ли для наблюдения такого дрожания точности интерферометрических исследований? Оказывается, уже существующие интерферометры не так далеки от этого рубежа. Экспериментальная ситуация проиллюстрирована на Рисунке. Уже сегодня, к примеру, 40-метровый интерферометр в Caltech [2] и интерферометр TAMA Японской Национальной Астрономической Обсерватории [3] достигли отметки в 10-40Гц-1, а ведь это пока только прототипы для будущих километровых интерферометров! Первое же поколение серьезных гравитационно-волновых интерферометров типа LIGO [4] и VIRGO достигнет рубежа 10-44Гц-1 за первые годы своей работы. В следующей своей стадии, эти интерферометры смогут улучшить чувствительность еще на несколько порядков и начнут отслеживать флуктуации на уровне 10-48Гц-1. Это уже должно быть достаточно не просто для наблюдения дрожания пространства-времени, но и для аккуратного изучения явления и сравнения с предсказаниями теоретических моделей.
Что меньше квантовой пены
А еще есть вакуум физический. Про него мы и поговорим. Даже в космосе вакуум почти везде "загрязнен" какой-нибудь материей, будь то реликтовое излучение, или гравитационное поле, или поле Хиггса, или темная материя, будь она не ладна.
Но вот, например, в атоме между электроном и ядром много пустого места. Если мы представим, что теннисный мячик это ядро атома, то ближайший к ядру электрон будет летать в соответствующих пропорциях на расстоянии полутора километров.
Или пустое место между кварками внутри протона. В этом случае разного рода излучениями можно пренебречь, так как длина волны этих излучений больше субатомных расстояний, и мы получим примерчик чистого натурального физического вакуума. Пустота как она есть.
На рисунке – вишенка ядро атома, а периметр стадиона – расстояние до ближайшего электрона.
Но вот беда. Квантовые физики стали задавать такому вакуумы неудобные вопросы. Попробуем эти вопросы изложить популярно.
Представим себе кусочек пространства, в котором наблюдается немножечко электромагнитного поля, и которое состоит, как мы знаем из предыдущих лекций, из фотонов. Ну, для наглядности, скажем, у нас в этом поле три фотончика. Если мы изымем один фотон, то любой квантовый физик скажет, что мы только что уменьшили энергию поля на один квант, переведя его в более низкое энергетическое состояние. Это обычное дело, например, в атоме, когда электрон теряет фотон и "падает" на уровень ниже.
Потом мы заберем еще один фотон, снова понизив энергетическое состояние поля. А потом отнимем и последний – третий фотон. По законам математики не осталось ничего. Ноль. А вот по законам квантовой физики выходит, что поле осталось, но в состоянии с наименьшей возможной энергией.
Вот так, например, выглядят диаграммы энергетических уровней электрона при испускании фотона и поглощении (не совсем к нашей теме, но подходящих случаю картинок не найти).
Итак, квантовые физики, глядя на вакуум, заявляют, что это не пустота, а материя с наименьшей энергией. Кажется чушью. Но это пока. Дальше еще хуже. Квантовые законы ставят нам еще одно условие: мы не можем знать точно одновременно два параметра частицы (принцип неопределенности Гейзенберга). Как это – не спрашивайте — может, в следующих статьях мы обсудим законы квантового мира поподробнее.
А пока зацените проблему: получается, что при наличии поля с наименьшей напряженностью можно смело заявить, что мы знаем одновременно два параметра с абсолютной точностью. А именно в данном поле нам известно число фотонов в количестве НОЛЬ и значение напряженности поля в размере НОЛЬ. Всё: квантовая физика, похоже, идет лесом. Это очень абсурдные для обычного мира рассуждения на самом деле нормальные для мира квантового. Там у них своя атмосфера.
Ученые призадумались. И вбросили такую идею, которая навсегда разделила человечество на тех, кто понимает квантовую физику и на тех, кто в нее не верит (что мы сейчас пытаемся исправить). Они заявили, что принцип неопределенности в вакууме сохраняется, благодаря тому, что на самом микроскопическом уровне за самые минимальные промежутки времени вакуум представляет собой не пустоту, а самое настоящее поле с частицами и энергией.
Эти частицы назвали виртуальными, потому что их никому никогда не зарегистрировать. Получается, что в вакууме постоянно рождается и тут же аннигилирует множество пар частиц и античастиц, например электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино и т.д. с разными произвольными энергиями. Этот кипяток называют квантовой или пространственно-временной пеной с квантовыми флуктуациями и рисуют примерно вот так.
Получается, что одновременно в вакууме выделяется и поглощается множество энергии, но в среднем, по закону сохранения энергии, энергия вакуума равна НУЛЮ.
Такая идея имела далеко идущие последствия. Получается, что вакуум чисто теоретически содержит в себе такие залежи энергии, которые не снились даже самым массивным объектам во Вселенной. Если бы мы могли разделить вакуум на вещество и антивещество, нам бы энергии хватило с излишком до конца света, причем несколько раз.
(впрочем, как справедливо заметили, разделить вакуум на материю мы и сейчас можем с помощью сильного электромагнитного поля — но затраты энергии при этом огромны даже если хотим получить одну пару из электрона и позитрона)
Более того, идейку подхватили астрофизики и прочие, кто занимаются проблемами рождения и формирования Вселенной. Во-первых, получается, что если из "ничто" можно выжать вещество, то тогда не очень-то и нужна начальная материя/энергия для производства Вселенной (божья воля опять отодвигается на второй план, ага).
Во-вторых, энергия вакуума успешно объяснила некоторые темные моменты в космологии. Например, теория об энергии вакуума отлично вписалась в проблему слишком быстрого разбегания галактик (суть в том, что галактики разбегаются быстрее, чем следует из теории относительности, а вот при наличии флуктуаций в вакууме проблема решается).
В-третьих, известный физик Стивен Хокинг умудрился с помощью вакуумных флуктуаций объяснить, как испаряются черные дыры.
На картинке трехмерная проекция квантовых флуктуаций, как если бы мы остановили время и увеличили масштабы. То есть вблизи вакуум это материя да еще с неравномерной плотностью. В интернете можно найти анимацию с этим процессом.
Что ж, скажете вы, допустим, шутка удалась. Но это же всё не подтвержденные экспериментами идейки сумасшедших ученых. Действительно, квантовые флуктуации настолько малы и быстротечны, что мы никогда не сможем их зарегистрировать в силу квантовых запретов и закона сохранения энергии.
И все же подтверждения есть. Например, эффект Казимира. Невероятно странный эффект в нашем макромире, который ученые предсказали в 1948 году и экспериментально обнаружили в 1965, оказывается реально существующим, и ноги у него растут из самых глубин материи.
Сейчас мы объясним, что это такое на пальцах. Явление, чем-то похожее на эффект Казимира наблюдали еще моряки, когда ставили свои корабли близко друг от друга. Если море было в это время не спокойно, то корабли начинали сближаться, и это создавала реальную проблему столкновения бортами. Такую, что матросам было предписано всей командой расталкивать корабли.
Корабли сближались потому, что давление морских волн на внешние борты кораблей оказывалось сильнее, чем на внутренние – ведь между кораблями море спокойнее.
То же самое произойдет, если в вакууме мы поставим рядом (на расстоянии, измеряемом в микронах) две поверхности, например, две металлические нано-пластинки. И что вы думаете? – пластинки начнут притягиваться.
Притяжение произойдет потому, что давление виртуальных частиц между пластинами (где определенное количество целых волн в связи с ограниченным расстоянием), меньше чем давление этих частиц снаружи (где волн любых длин и энергий сколько угодно).
Вот это поворот! Так жеж кроме эффекта Казимира есть еще и т.н. Лэмбовский сдвиг атомных уровней, который тоже объясняется тем, что электрон порождает виртуальные частицы (пропустим объяснение, а то закипят мозги даже у самых стойких). То есть они (виртуальные частицы вакуума) существуют!
Более того, эффект Казимира создает реальные проблемы сближающимся космическим аппаратам в открытом космосе (мы где-то об этом читали, но сейчас не можем найти, поэтому инфа 146%). Точно также, как когда-то похожее явление сталкивало корабли в море.
Еще картинка с эффектом Казимира.
Должны заметить, что дела еще хуже, чем мы рассказываем. На самом глубоком уровне материи, внутри, так сказать, вакуума "кипят" не только виртуальные частицы, но и само пространство начинает рваться на лоскуты, оно имеет искажения и разрывы. Есть теории, что эти разрывы являются дырами в параллельные пространства или просто "кротовые норы" в соседние галактики.
Все это заставляет физиков медленно сходить с ума и сочинять безумные теории с большим количеством математики (привет от теории суперструн).
Увы, но вакуум своей загадочностью поражает неокрепшие умы, и каждый второй уважающий себя фрик после опровержения теории относительности обязательно создает собственную теорию вакуума. Если вы наберете в поисковике словосочетание "теория вакуума", то адекватной информации о вакууме вы так просто не найдете. Шиповы, Гаряевы, Чурляевы и прочие – обязательно вам расскажут, что Эйнштейн – жид, Нильс Бор – псих, коллайдер — развод на бабки, бозон Хиггса от дьявола, а физический вакуум это эфир! Например, один "гукуум" Чурляева чего стоит – а человек просто не знаком с основами физики. Надеемся, что наши читатели имели хотя бы троечку в школе по естественным наукам и встанут на защиту адекватного поиска истины.
На картинке – сферический конь в вакууме. Научно-популярная шутка.
На этом всё! Всем добра, меньше войн, больше струн!
NB: Занудно напоминаем, что все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) — авторство определяется там же.
Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете...
Квантовую пену можно обнаружить в простом эксперименте?
Известный израильский физик-теоретик Яков Бекенштейн (Jacob D. Bekenstein) из Еврейского университета в Иерусалиме опубликовал работу, в которой изложил простую схему «настольного» эксперимента, способного подтвердить или опровергнуть существование квантовой пены.
Напомним: речь идёт о том самом Бекенштейне, который показал, что чёрные дыры подчиняются началам термодинамики, если считать, что сила гравитации играет роль температуры, а площадь поверхности горизонта событий пропорциональна энтропии.
Именно его предсказание, которому Стивен Хокинг поначалу так сопротивлялся, вынудило последнего разработать концепцию излучения Хокинга.
Поэтому к предложенной теоретической модели эксперимента по выявлению квантовой пены стоит присмотреться поближе
.
Рис. 1. Стекло; путь фотона (точки); излучатель E; вторая линза (за стеклом) направляет фотон к детектору одиночных фотонов. (Здесь и ниже иллюстрации J. D. Bekenstein.) whereas that of the energ.
Квантовая пена, или пена пространства-времени, — это отражение квантовых закономерностей в очень малых пространственных масштабах, порядка так называемой планковской длины 10–35 м. Там принцип неопределённости Гейзенберга позволяет энергии превращаться в частицу и античастицу, а затем аннигилировать, порождая вновь ту же энергию, без формального нарушения закона её сохранения.
Рис. 2. Упрощённая схема альтернативной экспериментальной установки.
Концепция «пены» прямо связана с энергией вакуума и считается очень важной для нашего понимания природы Вселенной.
Достаточно сказать, что
распределение галактик и их скоплений, по всей видимости, обусловлено структурой квантовой пены во Вселенной в начале её существования, позже отразившейся, по мере расширения пространства-времени, во всех наблюдаемых нами крупных астрономических структурах.
Однако проверить существование таких флуктуаций пространства-времени (квантовой пены) на ускорителях невозможно: с учётом малых расстояний потребуется такое количество энергии, которое сравнимо с тем, чем вообще распоряжается человечествоЯков Бекенштейн полагает, что для обнаружения пены можно использовать предельно простое оборудование и ничтожный энергозапас.
Учёный предлагает обстреливать одиночными фотонами кусок стекла. Когда попадание частицы придаст ему (за счёт отдачи части энергии фотона) механический импульс, последний должен будет изменить своё положение в пространстве.
Поскольку импульс одиночного фотона ничтожен, то, соответствующим образом подобрав его энергию и длину волны, можно добиться того, что результирующее изменение положения будет меньше планковской длины. На таких масштабах пена, если она существует, деформирует пространство-время как чёрные дыры в макромире — предельно замедляя его течение и меняя размеры. Поэтому — если опять-таки пена реальна — изменение положение стекла в пространстве будет невозможно, что явно нарушит закон сохранения импульса. Поскольку последнее невозможно, то фотон вообще не должен попасть в кусок стекла.
для одиночного фотона вероятность попадания в такой кусок существенно ниже теоретических едва ли не 100%, а факт прохождения через стекло современные приборы могут зафиксировать для фотона уже сейчас..