Глава 11-3-4
Проверка модели Форнала и Гринштейна
В новой статье группа физиков под руководством Чжицзин Тана (Zhijing Tang) экспериментально проверила, существует ли в действительности такой канал распада. Для этого они поместили частицы, полученные на Лос-Аламосской установке по производству ультрахолодных нейтронов (Los Alamos UCN facility), в бутылку из нержавеющей стали, покрытую слоем никеля и фосфора. Предполагаемые фотоны ученые регистрировали с помощью детектора, состоящего из высокочистого германия (high-purity germanium, HPGe) и помещенного внутрь кольцевого детектора из германита висмута (bismuth germinate, BGO).
В результате ученые обнаружили, что в ожидаемом диапазоне от 782 до 1664 килоэлектронвольт не наблюдаются пики интенсивности, совпадающие с предсказанным уровнем сигнала — измеренная на практике интенсивность постоянна в указанном диапазоне и примерно в десять раз ниже теоретического значения. Таким образом, с достоверностью около 97 процентов эксперимент исключает сигнал от распада нейтрона. Разумеется, все еще остается возможным «полностью невидимый» канал распада, все продукты которого являются «темными», однако проверить это в прямом эксперименте при текущем уровне развития детекторов не удастся.
Интересно, что статья Бартоша и Форнала, посвященная времени жизни нейтрона, вышла в Physical Review Letters только в середине мая этого года, хотя препринт работы был выложен на сайте arXiv.org еще в начале января. Из-за этого к моменту выхода статьи ученые уже успели проверить предложенную модель и обнаружить, что «наполовину видимый» канал распада не наблюдается. Например, препринт статьи группы Чжицзин Тана появился еще в феврале, и в скорректированной версии своей работы Бартош и Форнал уже ссылаются на него.
nplus1, 12 июля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/07/12/no-dark-neutron
Сайт arXiv.org , 2018
Чжицзин Тан
https://arxiv.org/abs/1802.01595
Глава 11-3-5
Темная материя замедлила гравитационные волны. Но заметить это замедление не получится
Июнь 2018
Два американских физика-теоретика показали, что темная материя сказывается на распространении гравитационных волн, изменяя их скорость, но величина этого изменения так мала, что почувствовать его на практике невозможно. Также ученые оценили влияние похожих эффектов на первичные гравитационные волны и показали, что при текущем уровне развития техники заметить их тоже нельзя, однако в будущем с их помощью можно будет получить информацию о состоянии вещества на ранних этапах жизни Вселенной. Статья опубликована в Physical Review D, препринт на сайте arXiv.org.
В вакууме электромагнитные волны (свет) распространяются со скоростью около 3×108 метров в секунду, которая одновременно является наибольшей возможной скоростью в природе. Тем не менее, в прозрачной среде скорость света снижается из-за взаимодействия с электромагнитными полями частиц. Грубо говоря, в среде электромагнитные волны постоянно рассеиваются, поглощаются и переизлучаются, а потому их эффективная скорость снижается. Кроме того, в среде, в отличие от вакуума, электромагнитные волны постепенно затухают. При прохождении через метровый слой идеально чистой воды интенсивность света падает на 1,5 процента, а после стометрового слоя — на четверть.
Что-то похожее происходит и с гравитационными волнами, которые представляют собой колебания кривизны пространства-времени. В пустом пространстве, которое не заполнено частицами и не искажается полями звезд или других массивных объектов, гравитационные волны свободно движутся со скоростью света в соответствии с предсказаниями ОТО. Однако в среде гравитационные волны должны постепенно затухать, поскольку колебания метрики будут «толкать» и разгонять частицы, расходуя на это энергию волны. В середине прошлого месяца группа индийских физиков-теоретиков показала, что скорость этого затухания пропорциональна вязкости среды, в которой распространяются волны, если ее можно рассматривать как неидеальную жидкость. Скорость волн при этом не меняется. Это позволило ученым оценить вязкость межзвездной среды, используя данные наблюдений группы LIGO/Virgo.
Тем не менее, в новой статье американские физики-теоретики Рафаэль Флагер (Raphael Flauger) и Стивен Вайнберг (Steven Weinberg) не соглашаются с этим результатом, замечая, что межзвездную среду нельзя описывать как жидкость. В самом деле, средняя концентрация атомов водорода в межзвездной среде оценивается одной частицей на кубический сантиметр, что при характерных размерах атома дает длину свободного пробега порядка 1011 километров. Это существенно превышает длины зарегистрированных гравитационных волн, находящиеся в промежутке от 300 до 1500 километров. То же самое можно сказать и про длину свободного пробега частиц темной материи. Они предложили рассматривать космическую материю как бесстолкновительный газ и проверили, как гравитационные волны ведут себя на его фоне.
Неожиданно оказалось, что в рассмотренной модели затухание волн не происходит — вместо этого скорость гравитационных волн уменьшается на небольшую величину, пропорциональную плотности материи и длине волны. Более того, это изменение настолько мало, что измерить его даже в далеком будущем не представляется возможным. Для гравитационной волны с наибольшей возможной длиной волны, сравнимой с радиусом видимой Вселенной, это изменение составляет менее одной миллионной от скорости света, а для зарегистрированных обсерваториями LIGO/Virgo волн — менее 10−43 от скорости света. Так что в настоящее время темная метрия не может оказать заметного эффекта на распространение гравитационных волн.
Но на ранних этапах жизни Вселенной, когда темная материя двигалась с релятивистскими скоростями, она могло более заметно сказываться на распространении гравитационных волн. Пересматривая используемые приближения и, заново решая уравнение, ученые получили, что это действительно так, и первичные гравитационные волны могут нести в себе информацию о состоянии вещества на ранних этапах — например, о константах связи и плотности энергии, которые входят в выражения для фазового сдвига и закон дисперсии. К сожалению, первичные гравитационные волны имеют низкую частоту и должны были подавляться на более поздних этапах эволюции Вселенной.
Наблюдения группы LIGO и присоединившейся к ней в августе прошлого года обсерватории Virgo позволяют ученым подробно исследовать гравитационные волны и проверить, существуют ли необычные эффекты, которые предсказывают теории за пределами Стандартной модели и Общей теории относительности. Например, с помощью этих наблюдений физикам удалось установить ограничения на массу гравитонов, скорость гравитационных волн, размерность и модуль упругости пространства-времени, в котором мы живем. Кроме того, в будущем, когда точность гравитационных детекторов вырастет, с их помощью можно будет отличить экзотические компактные объекты от черных дыр и подтвердить существование первичных черных дыр.
nplus1, 8 июня 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/06/08/Dark-GW
Physical Review D 2018
Рафаэль Флагер (Raphael Flauger) и Стивен Вайнберг (Steven Weinberg)
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.123506
https://arxiv.org/abs/1801.00386
Глава 11-3-6
Новая эпоха в поисках темной материи
Октябрь 2018
Начиная с 1970-х гг. астрономы и физики собирали доказательства присутствия во Вселенной темной материи: таинственной субстанции, которая выдает свое присутствие только по гравитационному воздействию на нормальную материю. Однако, несмотря на большое число предпринятых попыток, ни одна из новых частиц, предложенных на роль частиц темной материи, так и не была обнаружена. В новом обзоре, опубликованном двумя учеными из Амстердамского университета, Нидерланды, Жанфранко Бертоне (Gianfranco Bertone) и Тимом Тэйтом (Tim Tait), говорится, что настало время расширить и диверсифицировать эксперименты по поискам темной материи, а также включить в эти поиски астрономические обзоры неба и наблюдения гравитационных волн. Статья опубликована в журнале Nature.
На протяжении трех последних десятилетий поиски темной материи были сфокусированы на частицах-кандидатах, известных как «слабо взаимодействующие массивные частицы», или ВИМПы (от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle). ВИМПы долгое время считались идеальными кандидатами на роль частиц темной материи, поскольку они, с одной стороны, могли быть произведены в ранней Вселенной в требуемом теорией количестве, а с другой стороны, помогали разрешить важные проблемы физики элементарных частиц, такие как большое расхождение между масштабом энергии слабого и гравитационного взаимодействий.
И хотя это решение 30 лет назад казалось вполне естественным, тем не менее, никакие из экспериментов, проведенных в течение последних 30 лет, не выявили убедительные доказательства существования ВИМПов. Бертоне и Тэйт считают, что наступает время расширить и диверсифицировать экспериментальные стратегии, «не оставляя при этом камня на камне».
Уникальность настоящего времени для кампании по поискам темной материи состоит в том, что сегодня уже разработан ряд методов, позволяющих значительно расширить возможности этих поисков. Бертоне и Тэйт, в частности, указывают на астрономические обзоры неба, в ходе которых крохотные вариации формы галактик, связанные с изменением формы гало из темной материи, окружающих эти галактики, или гравитационных искажений потоков света, идущего со стороны галактик, могут быть использованы для получения новых сведений о природе темной материи. Кроме того, считают Бертоне и Тэйт, значительную поддержку при поисках темной материи могут оказать наблюдения гравитационных волн – впервые успешно проведенные учеными в 2016 г. Объединение этих методов с традиционными методами поисков частиц темной м