Учёные ограничили параметры гипотетической «теории всего»

Две группы ученых исследовали, как сильно отличаются приливные силы и расстояние до Луны от предсказаний теории относительности. 

Две группы ученых исследовали, как сильно отличаются приливные силы и расстояние до Луны от предсказаний теории относительности. Таким образом им удалось ограничить возможные вклады из-за лоренц-нековариантности, которые предсказывались расширением стандартной модели (претендующим на роль «теории всего») и оказались очень малы. Статьи опубликованы одновременно в Physical Review Letters.

С одной стороны, на классическом уровне общая теория относительности (ОТО) отлично объясняет наблюдаемые гравитационные явления. С другой стороны, стандартная модель (СМ) хорошо описывает явления на квантовом уровне. Объединить эти две основные теории физики до сих пор не смогли, однако теоретики предсказывают некоторые эффекты, которые должны учитывать все четыре фундаментальных взаимодействия.

Например, ожидается, что эффекты квантовой гравитации станут существенны на планковских масштабах (энергиях около 1019 гигаэлектронвольт), на которых лоренц-ковариантность, лежащая в основе специальной теории относительности и стандартной модели, будет нарушаться. Такие энергии на данный момент недостижимы, но по некоторым теориям слабые нарушения лоренц-ковариантности можно зафиксировать и при меньших энергиях с помощью экспериментов высокой точности. Разумеется, если эти нарушения вообще есть.

Одной из теорий, связывающей ОТО и СМ, является расширение стандартной модели (Standard Model Extension, SME). С помощью специальных коэффициентов при добавках к эффективному действию модели она учитывает всевозможные нарушения лоренц-ковариантности, которые могут прийти из различных областей физики. Коэффициентов этих очень много, поскольку они должны учитывать вклад членов, содержащих производные все больших порядков. Отдаленно это напоминает обычное разложение в степенные ряды. В данных двух статьях физики сконцентрировались на поиске ограничений только для части коэффициентов.

В первой статье группа ученых под руководством Наташи Флауэрс (Natasha A. Flowers) уточнили ограничения для семи параметров SME, а еще шесть измерили впервые. Для этого исследователи следили за приливными эффектами с помощью четырех сверхпроводниковых гравиметров проекта GPP. Принцип работы гравиметров состоит в подвешивании сверхпроводящей сферы в магнитном поле: если гравитационное поле изменится, тело придет в движение и наведет в установке электрический ток, по величине которого можно определить ускорение. Чувствительность приборов составляла около 10−12, относительная погрешность из-за расхождения показателей гравиметров оценивается величиной 10−9 в год.

Пример сигнала, зарегистрированного гравиметром (Natasha A. Flowers et. al. / Phys. Rev. Lett.)

Чтобы извлечь ограничения на параметры, физики предположили, что поправка к показаниям гравиметров складывается из линейной комбинации различных поправок, вызванных лоренц-нековариантностью теории. Выделяя из данных, записанных на гравиметрах, вклад приливных эффектов и раскладывая в ряд Фурье полученную зависимость, они получили ограничения на амплитуды этих поправок. Оказалось, что ограничения на максимальные значения соответствующих коэффициентов SME составляют от 10−9 до 10−3.

В то же время, во второй статье группа ученых из Сорбонны, Калифорнийского и Болонского университетов уточнили значения для еще шести параметров SME, исследуя движение Луны с помощью лазерной дальнометрии. Из-за вклада лоренц-нековариантных членов расстояние до спутника отличалось бы от предсказаний ОТО, и это отличие можно измерить, направляя на поверхность Луны лазерный луч и засекая время, в течение которого он вернется обратно.

Всего было сделано 24022 замера расстояния, использующих отражение от зеркал, расположенных на советских Луноходах 1 и 2, а также во время миссий Аполлон-11, 14 и 15. В результате оценки для максимальных значений параметров SME составили от 10−12 до 10−9.

В прошлом году мы уже писали о том, как авторы одной из данных статей получили с помощью лазерной дальнометрии Луны ограничения на параметры SME, ответственные за нарушение Лоренц-ковариантности. В новой работе ученые включили в рассмотрение новые данные и уточнили результаты почти в тысячу раз.