Команда ученых из Австрии, Германии и Франции вновь подтвердила закон всемирного тяготения и представила новые ограничения на параметры частиц темной материи и темной энергии. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, статья доступна на arxiv.org, кратко с ее содержанием можно ознакомиться на сайте Nature.
Исследователи подтвердили справедливость закона всемирного тяготения Ньютона на масштабах нескольких микрометров, а также получили новые ограничения на параметры предполагаемых кандидатов — частиц скрытого сектора ─ аксиона и хамелеона.
В своих исследованиях авторы использовали гравитационный спектрометр с ультрахолодными нейтронами. Разогнанные до 2,2 тысячи метров в секунду нейтроны из реактора тормозились до скоростей в несколько метров в секунду (превращались в ультрахолодные) и помещались в пространство между двумя пьезоэлектрическими пластинами. Нижняя пластина отражала нейтроны, а верхняя поглощала частицы, ее достигающие.
В квантовом мире элементарная частица может находиться строго в определенных (квантованных) состояниях с некоторой разрешенной энергий. Так как нейтроны в целом электрически нейтральны, то взаимодействовали частицы только с полем тяготения Земли, и энергия такого взаимодействия (энергия уровня) определяется расстоянием до нижней пластины. Ученые проследили возможное влияние гипотетических частиц темной материи и темной энергии на высоту уровня, до которого поднимается нейтрон, и в пределах точности эксперимента не обнаружили такого влияния.
Экспериментальная установка располагается в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле во Франции; в ее работе принимают участие российские ученые из Петербургского института ядерной физики имени Константинова.
Ультрахолодные нейтроны ─ электронейтральные нуклоны, движущиеся со скоростями порядка метра в секунду. Такие частицы находятся при температурах, близких к абсолютному нулю, и хорошо отражаются стенками вакуумной установки. Аксион ─ еще не открытая частица, позволяющая решить сильную CP-проблему в квантовой хромодинамике. Хамелеон ─ гипотетическая частица, возможный кандидат на роль частиц темной материи с эффективной массой, зависящей от плотности энергии окружающей материи.