КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-22-00861
НазваниеИсследование эффектов второго порядка по гравитационному полю и возможности детектирования темной материи в космических экспериментах с квантовыми стандартами частоты и времени следующего поколения
РуководительПилипенко Сергей Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-601 - Теория поля и теория гравитации
Ключевые словаКосмические гравитационные эксперименты; эйнштейновский принцип эквивалентности; темная материя; гравитационное замедление времени; атомные часы
Код ГРНТИ29.05.41
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Общая теория относительности (ОТО) и квантовая теория составляют основу современной физической картины мира. Большинство физиков, однако, уверены, что ОТО, будучи классической теорией, не может давать правильное описание гравитации на планковских масштабах энергии, времени и длины. Попытки объединения ОТО с квантовой теорией, предпринимаемые в рамках теории струн, петлевой квантовой гравитации и др., неизбежно приводят к нарушению лежащего в основе ОТО эйнштейновского принципа эквивалентности (ЭПЭ). При этом в большинстве случаев предсказание нарушений различных аспектов ЭПЭ оказывается единственным низкоэнергетическим предсказанием подобных теорий доступным экспериментальной проверке. Поиски подобных нарушений являются поэтому сферой активного исследования и ведутся для всех трех аспектов ЭПЭ: слабого принципа эквивалентности, принципа лоренц-инвариантности, принципа локальной пространственно-временной инвариантности.
Стандартная модель физики элементарных частиц, несмотря на свое очередное блестящее подтверждение в виде недавнего экспериментального обнаружения бозона Хиггса, также содержит ряд принципиальных нерешенных проблем. Помимо внутренних логических противоречий (проблема иерархии масс, подгонки значений констант), Стандартная модель оказалась не в состоянии предложить подходящих кандидатов на роль частиц темной материи и объяснить природу темной энергии путем ее интерпретации как плотности энергии вакуума. Отсутствие детектирования на LHC новых частиц за пределами хиггсовского масштаба энергии, а также безрезультатные поиски тяжелых частиц темной материи, заставили экспериментаторов обратиться к альтернативным путям поиска новой физики. Одним из многообещающих таких путей оказалась экспериментальная проверка ЭПЭ. Было установлено, что значительное число классических экспериментов по проверке ЭПЭ могут быть интерпретированы как эксперименты по измерению различных констант связей темной материи, также были предложены и осуществлены основанные на проверке ЭПЭ новые типы экспериментов по детектированию темной материи. Данные эксперименты уже позволили наложить существенные ограничения на параметры моделей взаимодействия частиц сверхлегкой темной материи.
Экспериментальное обнаружение отклонений от предсказаний ОТО и ЭПЭ является, таким образом, принципиально важной задачей, решение которой позволяет рассчитывать на существенный прогресс в построении единой теории фундаментальных взаимодействий и разрешение фундаментальных проблем астрофизики и космологии. Атомные часы являются необходимым элементом значительного числа подобных экспериментов. В связи с недавним прогрессом в технике их создания (ростом стабильности и точности до 10^{-18} и выше, в терминах относительной частоты) в ближайшее десятилетие ожидается увеличение на несколько порядков точности уже известных экспериментов по проверке ЭПЭ, а также появляется возможность проведения измерений качественно нового типа. Заложение теоретического базиса для планирования и интерпретации результатов подобных экспериментов, исследование доступных для измерения эффектов и оценка предельной точности их измерения являются поэтому крайне важными задачами.
Целью проекта является решение сразу нескольких из указанных задач для класса экспериментов по проверке ЭПЭ, основанных на измерении эффекта гравитационного замедления времени с помощью атомных часов, размещаемых на космических аппаратах. В частности, в результате реализации проекта будет впервые построена теоретическая модель, описывающая преобразование частоты сигналов и передачу времени в космических экспериментах в Солнечной системе и учитывающая эффекты 2-го порядка по гравитационному полю и 4-го порядка по скорости космических аппаратов. Далее, впервые будет обоснована возможность и оценена точность измерения ППН-параметров (постньютоновских параметров) в данном типе экспериментов. Наконец, проект содержит предложение о принципиально новом типе эксперимента по детектированию нарушения ЭПЭ за счет гало темной материи Галактики. Будет оценена точность данного эксперимента и найдена оптимальная для его реализации конфигурация орбит космических аппаратов. В силу аномальных свойств темной материи (потенциально больших параметров нарушения ЭПЭ) данный эксперимент может также рассматриваться как новый тип эксперимента по детектированию темной материи.
Ожидаемые результаты
1. Построение теоретической модели, описывающей преобразование частоты радиосигналов и передачу времени в космических экспериментах в Солнечной системе и учитывающей эффекты 2-го порядка по гравитационному полю и 4-го порядка по скорости космических аппаратов. Модель будет получена как в рамках метрических теорий гравитации (без учета нарушения ЭПЭ), так и для нарушающих принцип эквивалентности теорий.
2. Получение оценки достижимой точности измерения параметров нарушения ЭПЭ и ППН-параметров в космических экспериментах по измерению эффекта гравитационного замедления времени с помощью новейших квантовых стандартов частоты и времени, обладающих точностью и стабильностью ~ 10^{-18}. Будет также определена оптимальная для проведения эксперимента конфигурация орбит спутников и расположение наземных станций слежения.
3. Получение оценки точности эксперимента по детектированию нарушения ЭПЭ за счет гало темной материи путем измерения эффекта гравитационного замедления времени с помощью двух спутников на околосолнечной орбите. Данный эксперимент может также рассматриваться как новый тип эксперимента по детектированию темной материи, основанный на измерении эффекта гравитационного замедления времени.
4. Выработка рекомендаций по реализации будущих экспериментов по проверке ОТО и принципа эквивалентности с помощью измерения эффекта гравитационного замедления времени – как в рамках специализированных миссий, так и совместно с другими фундаментальными и прикладными космическими проектами, основанными на использовании высокостабильных и высокоточных атомных часов (глобальные навигационные спутниковые системы, космическая геодезия, наземно-космическая радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ)).
Полученные результаты станут основой для планирования будущих космических экспериментов по исследованию основ теории гравитации с помощью измерения эффекта гравитационного замедления времени, а также их анализа и интерпретации результатов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Общая теория относительности (ОТО) является одним из фундаментов современной физической картины мира, однако попытки построить более общую единую «теорию всего», объединяющую ОТО и квантовую физику, указывают, что лежащий в основе ОТО эйнштейновский принцип эквивалентности (ЭПЭ) может выполняться не точно, поэтому важной задачей физики является экспериментальная проверка ЭПЭ. Большинство экспериментов по проверке ЭПЭ подразумевают использование высокоточных часов, и в связи с прогрессом техники и повышением точности измерения времени и частоты в этих экспериментах становится необходимо учитывать все новые малые эффекты, как предсказанные ОТО, так и связанные с возможными отклонениями от этой теории. В ходе первого года выполнения проекта была разработана теория, описывающая перенос частоты и времени между двумя часами с более высокой точностью, чем было доступно ранее. Теория учитывает все члены до 2-го порядка малости по гравитационному потенциалу и до 4-го порядка по отношению скорости к скорости света. Анализ полученных нами формул показал, что в экспериментах будущего необходимо будет учитывать такие эффекты ОТО, как криволинейное распространение света вблизи тяготеющих тел, увлечение системы отсчета вращением Земли или Солнца вокруг своей оси (в зависимость от того, около какого небесного тела проводятся измерения), потенциалы, создаваемые тепловой энергией и давлением внутри тел. В будущих экспериментах можно будет уточнить ограничения на отличия теории гравитации от ОТО, в частности, параметр, отвечающий за величину отклонения луча света гравитационным полем, а также параметр, связанный со скоростью движения Солнечной системы относительно выделенной системы отсчета, в которой реликтовое излучение Вселенной покоится.
Результаты работы будут опубликованы в 2023 году, а код для расчетов траектории фотонов и переноса частоты с высокой точностью доступен в открытом репозитории https://github.com/spilipenko/frequency_4
Публикации
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
С помощью разработанных в предыдущем отчетном периоде методов выполнены оценки достижимой точности измерения отклонений от Эйнштейновского принципа эквивалентности (параметр эпсилон) и от Общей теории относительности (пост-ньютоновские параметры гамма и бета) в экспериментах по измерению гравитационного сдвига частоты. Для этого рассмотрены три типа экспериментов: наземно-космические, эксперименты на околоземных и гелиоцентрических орбитах. Для каждого типа эксперимента произведен поиск оптимальных параметров орбит, при которых достигается наилучшая точность.
Показано, что в экспериментах с околоземными спутниками существующая точность проверки Эйнштейновского принципа эквивалентности может быть улучшена на 5 порядков (в 100000 раз), с помощью спутников на орбитах вокруг Солнца - более чем на 6 порядков (в > 1 миллион раз). Точность измерения пост-ньютоновского параметра гамма может быть улучшена в 30 раз (или более чем в 1000 раз, если в ближайшее время будет улучшена точность измерения скоростей космических аппаратов). Столь существенные улучшения точности экспериментов крайне важны для построения экспериментального базиса квантовой теории гравитации.
Проведены оценки достижимой точности измерения отклонения от Эйнштейновского принципа эквивалентности, связанного с влиянием гало темной материи Галактики. Оценки сделаны в двух моделях: для аномального вклада потенциала гало и для модели легкой скалярной темной материи, вызывающей вариации фундаментальных физических констант. Показано, что подобные измерения открывают новые способы детектирования темной материи и смогут улучшить современные ограничения на ее параметры.
Показано, что для проведения указанных экспериментов достаточно современных точностей измерения координат и скоростей движения космических аппаратов при использовании двухпутевой схемы компенсации нерелятивистского эффекта Доплера.
Публикации
1. Литвинов Д.А. Перспективы измерения пост-ньютоновского параметра гамма с помощью двух спутников, оснащенных высокостабильными атомными часами Письма в Астрономический Журнал, - (год публикации - 2024)
2. Пилипенко С.В., Захваткин М.В,, Литвинов Д.А., Филеткин А.И. Измерение момента импульса Солнца с помощью эффекта гравитомагнитного смещения частоты Краткие сообщения по физике, - (год публикации - 2024)
3. Пилипенко С.В., Литвинов Д.А., Захваткин М.В., Филеткин А.И. Принципы детектирования волновой темной материи с помощью экспериментов по измерению гравитационного красного смещения в Солнечной системе Астрономический Журнал, - (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
Полученные в результате выполнения проекта формулы переноса частоты до 4-го порядка по обратной скорости света, а также результаты будущих экспериментов по проверке ОТО, концепция которых заложена в настоящем проекте, могут быть использованы при создании нового поколения глобальныз навигационных систем с миллиметровой точностью.