Исследователи из ФТИ им. Иоффе, ПИЯФ и СПбГЭТУ «ЛЭТИ» выполнили комплексную работу по оценке возможной изменчивости отношения массы электрона к массе протона с использованием спектральных наблюдений молекул ацетальдегида и метанола в межзвездных облаках.
Фундаментальные константы – фиксированные величины, определяющие законы природы и структуру материи. Среди них наиболее известны гравитационная постоянная Ньютона и скорость света в вакууме. Однако еще в 1937 году было предположено, что значения констант могли эволюционировать с космологическим временем. Эта идея сформировала одно из направлений современных исследований, а именно экспериментальную проверку постоянства констант. Их вариация означала бы изменение законов природы, открыла бы путь к физическим моделям за пределами Стандартной модели и общей теории относительности, а также позволила бы уточнить космологические сценарии и стабильность современных метрологических эталонов, предназначенных для воспроизведения, хранения и передачи единиц физических величин с высочайшей точностью.
Особый интерес сегодня вызывает возможная связь вариаций констант с темной материей, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним, что делает ее невидимой для приборов. Данная идея развивается в рамках теорий дополнительных полей, которые могут гипотетически модулировать массы элементарных частиц (например, электрона или кварков в протоне). Другие теории подразумевают вариации констант в зависимости от гравитационного потенциала или плотности вещества. Этот эффект можно исследовать, сравнивая спектры молекулярных переходов, измеренные в лабораторных условиях на Земле, с аналогичными наблюдениями в межзвездных молекулярных облаках, где плотности вещества и гравитационные потенциалы отличаются на многие порядки и также присутствует темная материя.
Ключевую роль в таких исследованиях играют молекулы, которые выступают в качестве сверхточных «природных часов»: их частоты крайне чувствительны к изменению отношения массы электрона к массе протона (μ), причем разные молекулы реагируют на это по-разному. Эта реакция описывается коэффициентами чувствительности: чем они больше и чем сильнее они различаются у сравниваемых линий, тем заметнее потенциальный сдвиг на фоне погрешностей. Например, метанол обладает исключительно высокой чувствительностью, а ацетальдегид – более низкой, однако их спектральные линии часто попадают в один узкий частотный диапазон. Это позволяет сравнивать молекулы этих веществ на одном и том же оборудовании, исключая инструментальные погрешности, а разная чувствительность молекул при этом усиливает возможный сигнал об изменении фундаментальной константы.
«Ацетальдегид будучи токсичным веществом в земных условиях, в космическом масштабе становится уникальной природной лабораторией, позволяющей с беспрецедентной точностью тестировать фундаментальные законы Вселенной. Мы рассчитали чувствительность спектральных линий этой молекулы к изменению μ – отношения масс электрона и протона, а затем сравнили лабораторные данные с астрономическими наблюдениями. В результате установлен новый верхний предел на возможную вариацию константы: не более одной стомиллионной доли. Это подтверждает, что законы физики остаются неизменными в масштабах диска нашей Галактики – далеко от центра. В планах – подготовка наблюдений в центре Млечного Пути, где потенциально могут быть обнаружены отклонения, указывающие на физические процессы за пределами Стандартной модели», – рассказала ассистент кафедры физики СПбГЭТУ «ЛЭТИ», м.н.с. сектора теоретической астрофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе Юлия Сергеевна Воротынцева.
В ходе исследования ученые рассчитали коэффициенты чувствительности молекулярных переходов ацетальдегида к гипотетическим вариациям μ и сопоставили лабораторные частоты этих переходов с астрономическими данными, полученными для трех близких к солнечной системе молекулярных облаков: L1544, Barnard 1 и IRAS 4A.
Сравнение проводилось с учетом явления, при котором частота волн (звуковых, световых или радиоволн), регистрируемых приемником, изменяется из-за относительного движения источника этих волн и наблюдателя. Сдвиг обусловлен движением облаков, что позволило выделить возможный остаточный сдвиг, не связанный с кинематикой, а потенциально обусловленный изменением фундаментальной константы. В результате был установлен верхний предел на относительное изменение μ на уровне одной стомиллионной доли. Это согласуется с ранее полученными результатами по другим молекулам и подтверждает стабильность данной константы в пределах современной точности измерений.
«Расчеты коэффициентов чувствительности выполнялись с использованием разработанной моими коллегами программы, которая моделирует энергетические уровни молекул на основе упрощенной математической модели, описываемой семью параметрами, каждый из которых имеет понятный физический смысл. Такой подход, в отличие от более сложных моделей, содержащих свыше сотни параметров, обеспечивает прозрачную и однозначную зависимость спектроскопических констант от μ, что критически важно для надежной оценки чувствительности. Полученные для ацетальдегида коэффициенты, хотя и уступают по величине метанольным, все же на порядки превышают аналогичные показатели для простейших молекул, таких как молекулярный водород, что делает ацетальдегид перспективным объектом для дальнейших исследований», – отметила Юлия Воротынцева.
Особую актуальность работа приобретает в свете недавних предварительных результатов, полученных по данным наблюдений метанола в облаке Sagittarius B2 (в направлении созвездия Стрельца) в центре Галактики, где был зафиксирован потенциальный сигнал вариации μ на уровне нескольких стандартных отклонений. Подтверждение этого результата независимым методом – с использованием линий ацетальдегида, наблюдаемых в том же регионе, – станет важным шагом в проверке гипотез о связи фундаментальных констант с распределением темной материи или скалярными полями, которые предсказываются расширениями Стандартной модели физики элементарных частиц.
В настоящее время исследователи готовят заявку на проведение целевых наблюдений чувствительных линий ацетальдегида и метанола в центральной части Млечного Пути.
Результаты исследований опубликованы в журнале Physical Review A (Q1).
Источник информации: СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Источник фото: ru.123rf.com
