Ελέγχοντας την ισχύ του νόμου της βαρύτητας με νετρόνια

Posted on 08/01/2018

0


Ο νόμος της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα, που ισχύει για αστρονομικές αποστάσεις, δεν είναι σίγουρο πως ισχύει για πολύ μικρές αποστάσεις

Eίναι γνωστό πως υπάρχουν 4 θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις στη φύση: η ισχυρή πυρηνική, η ασθενής πυρηνική, η ηλεκτρομαγνητική και η βαρυτική. Οι τρεις πρώτες ενοποιούνται στο πλαίσιο μιας επανακανονικοποιημένης σχετικιστικής κβαντικής θεωρίας βαθμίδας, γνωστής ως Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Η βαρύτητα περιγράφεται ξεχωριστά χρησιμοποιώντας την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Η Γενική Σχετικότητα είναι πλήρως συνεπής με όλα τα πειράματα και τις παρατηρήσεις μέχρι σήμερα, συμπεριλαμβανομένης και της πρόσφατης ανακάλυψης των βαρυτικών κυμάτων. Ωστόσο αυτή η κλασική θεωρία της βαρύτητας δεν μπορεί να είναι συνεπής με την κβαντική μηχανική όπως συμβαίνει με τις άλλες αλληλεπιδράσεις. Αν και η μαθηματική επιτυχία της θεωρίας των χορδών δείχνει ότι είναι δυνατή μια θεωρία της βαρύτητας που είναι συνεπής με την κβαντική μηχανική και τις υπόλοιπες αλληλεπιδράσεις, όμως προς το παρόν δεν υπάρχουν άμεσοι πειραματικοί έλεγχοι αυτής της θεωρίας. Επομένως πειράματα τα οποία διερευνούν την βαρύτητα στα πλαίσια νέων θεωριών είναι θεμελιώδους σημασίας.

Σύμφωνα με το νόμο της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα η δύναμη της βαρύτητας μεταξύ δυο μαζών είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης. Αυτή η σχέση μπορεί να προκύψει επίσης και στην γενική θεωρία της σχετικότητας, όταν το βαρυτικό πεδίο είναι ασθενές και τα σώματα κινούνται με ταχύτητες πολύ μικρότερες από αυτή του φωτός. Όμως, υπάρχουν πολλές θεωρίες – κάποιες από αυτές είναι σχετικές με την κβαντική περιγραφή της βαρύτητας – που προβλέπουν ότι σχέση δεν ισχύει στις μικρές αποστάσεις. Η ισχύς του νόμου αυτού έχει ήδη διερευνηθεί πειραματικά για αποστάσεις μικρότερες του ενός χιλιοστού. Σε μια κβαντική θεωρία θα ήταν ισοδύναμο με την δήλωση ότι η μάζα του βαρυτονίου (ο φορέας της βαρυτικής δύναμης) ισούται με μηδέν. Η πρόσφατη παρατήρηση της συγχώνευσης αστέρων νετρονίων έδωσε ένα αυστηρότερο άνω όριο στην μάζα του βαρυτονίου. Συνεπώς οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις σε μεγάλες αποστάσεις είναι πολύ καλά κατανοητές.

Με μια αυστηρά πειραματική ματιά η φύση της βαρύτητας σε μικρές αποστάσεις δεν είναι τόσο ξεκαθαρισμένη. Πολλές εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας θέτουν μια επιπλέον συνιστώσα των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων, η οποία συνεπάγεται την ανταλλαγή κβάντων με μάζα διαφορετική του μηδενός, οπότε θα έχει μικρό εύρος. Άλλες θεωρίες που επιχειρούν να εξηγήσουν γιατί η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής συγκρινόμενη με τις άλλες αλληλεπιδράσεις, περιλαμβάνουν επίσης πεπερασμένου εύρους τροποποιήσεις της θεωρίας.

Προς το τέλος της δεκαετίας του 1990 ένα ενδιαφέρον μοντέλο, πιο συγκεκριμένα η θεωρία της Μεγάλης Επιπλέον Διάστασης, διατυπωμένη από τους N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, και G. Dvali [Phys. Lett. B 429, 263 (1998); Phys. Rev. D 59, 086004 (1999)], υποστήριξαν ότι ίσως η πέμπτη διάσταση να μην είναι άπειρη αλλά να απέχει ένα χιλιοστό από τη δική μας, επιπλέοντας στο σύμπαν ακριβώς από πάνω μας, όπως στο μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας του Χ. Τζ. Γουέλς. Μια πολύ ενδιαφέρουσα πρόβλεψη αυτής της θεωρίας ήταν ότι, αν υποθέσουμε πως η ισχύς της βαρυτικής αλληλεπίδρασης είναι ίδιας τάξης μεγέθους με την ισχύ των άλλων αλληλεπιδράσεων στην ηλεκτρασθενή κλίμακα, για να λυθεί το αποκαλούμενο πρόβλημα της «ιεραρχίας» της σωματιδιακής θεωρίας, τότε θα υπάρχουν αποκλίσεις από τον νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου σε αποστάσεις μικρότερες του ενός χιλιοστού αν ο αριθμός των έξτρα χωροχρονικών διαστάσεων είναι 2.  Άλλες υποθέσεις οδηγούν επίσης σε αποκλίσεις από τον νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου που θα μπορούσαν να παρατηρηθούν.

Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC)

Φυσικοί από την Ιαπωνία χρησιμοποιώντας νετρόνια αναζήτησαν πιθανές αποκλίσεις από τον νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου της παγκόσμιας έλξης. Σκεδάζοντας νετρόνια σε πυρήνες ευγενών αερίων (ξένο και ήλιο) δεν βρήκαν αποκλίσεις από την εξίσωση:

F=Gm1m2/r2

Οι φυσικοί έχουν πραγματοποιήσει αρκετά πειράματα για να εντοπίσουν μια τέτοια απόκλιση. Όμως τα πειράματα αυτά δεν μπορούν να ανιχνεύσουν την βαρυτική δύναμη σε πολύ μικρές αποστάσεις, με τωρινό όριο την απόσταση των 0,1 nm (0,1 δισεκατομμυριοστά του μέτρου). Με τα νετρόνια μπορεί να διερευνηθεί ο νόμος της βαρύτητας στην νανοκλίμακα και πέραν αυτής.

Η βασική ιδέα είναι να κατευθυνθούν νετρόνια διαμέσου ενός αερίου και να καταγραφεί ο τρόπος με τον οποίο σκεδάζονται από τους πυρήνες του αερίου. Εφόσον δεν υπάρχουν άλλες δυνάμεις που να τροποποιούν την βαρύτητα στις μικρές κλίμακες, τα νετρόνια και οι πυρήνες ουσιαστικά αλληλεπιδρούν μόνο διαμέσου της ισχυρής δύναμης (δεδομένου ότι τα νετρόνια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα). Αλλά η ισχυρή δύναμη δρα σε εξαιρετικά μικρές αποστάσεις – περίπου 10–14 m –  ενώ τα νετρόνια έχουν μήκος κύματος de Broglie περίπου 1 nm. Συνεπώς τα νετρόνια αντιλαμβάνονται τους πυρήνες ως σημειακές πηγές και έτσι σκεδάζονται εξίσου προς όλες τις κατευθύνσεις.

Οποιαδήποτε νέα δύναμη (μια τροποποιημένη δύναμη βαρύτητας που αποκλίνει από το νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου) είναι πιθανόν να εκτείνεται πέρα από τις διαστάσεις των πυρήνων. Αν το εύρος της είναι συγκρίσιμο με το μήκος κύματος των νετρονίων τότε τα νετρόνια θα σκεδάζονταν πιο συχνά προς την μπροστινή κατεύθυνση παρά σε άλλες γωνίες. Η ύπαρξη μιας τέτοιας δύναμης, αν υφίσταται, θα μπορούσε να αποδειχθεί διαμέσου της μέτρησης των γωνιών σκέδασης των νετρονίων.

Το 2008 ο Valery Nesvizhevsky και οι συνεργάτες του από το Ινστιτούτο Laue-Langevin στη Γαλλία εξέτασαν πειραματικά τέτοιου είδους σκέδαση νετρονίων. Το μόνο που κατάφεραν ήταν να θέσουν νέα άνω όρια στην ισχύ των πιθανών νέων δυνάμεων, βελτιώνοντας τους περιορισμούς για κλίμακες μεταξύ 1 pm και 5 nm κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Αυτά τα όρια βελτιώθηκαν κατά μια τάξη μεγέθους δυο χρόνια μετά, όταν ο Sachio Komamiya και οι συνεργάτες του πειραματίστηκαν στην σκέδαση νετρονίων από αέριο ξένον.

Στη νέα έρευνα ο Tamaki Yoshioka και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν νετρόνια που παρήγαγαν στον Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) στο Tokai και μελέτησαν την σκέδασή τους σε δείγματα ευγενών αερίων, ξένον και ήλιο. Επειδή τα νετρόνια στον J-PARC παράγονται κατά παλμούς, οι ερευνητές μπορούν εύκολα να μετρήσουν τον χρόνο πτήσης τους, κι έτσι προσδιορίσουν την ταχύτητά τους και το μήκος κύματός τους.

Διαθέτοντας αυτές τις πληροφορίες σχετικά με τα νετρόνια, οι πειραματιστές μπορούν να διαπιστώσουν αν οποιαδήποτε εμπρόσθια σκέδαση οφείλεται σε νέα δύναμη ή απλά προκαλείται από την αναπήδηση των νετρονίων σε μεγαλύτερα αντικείμενα στο αέριο, όπως ίχνη αερίων της ατμόσφαιρας.

Ο Yoshioka και οι συνεργάτες του μπόρεσαν να μειώσουν το άνω όριο για νέες δυνάμεις κάτω από 0,1 nm, κατά μια τάξη μεγέθους σε σχέση με τα προηγούμενα πειράματα. Ενισχύοντας την ευαισθησία του πειράματός τους θα μπορούσαν στους επόμενους μήνες να βελτιώσουν τα υπάρχοντα όρια μέχρι τα 10 nm.

πηγές: http://physicsworld.com/cws/article/news/2018/jan/4/neutrons-probe-gravitys-inverse-square-law – https://arxiv.org/pdf/1712.02984.pdf

(νεώτερη ενημέρωση 25/3/2018)

newtrons_gravity

H εργασία των Haddock et al έγινε αποδεκτή και δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review D.

 

Ετικέτα: