Supravodivé magnety 50GeV synchrotronu J-PARC. Kredit: Patrick Dep / Wikimedia Commons.

Podle klasického Newtonova gravitačního zákona je gravitační síla mezi dvěma objekty úměrná jejich hmotnostem a klesá se čtvercem vzdálenosti mezi těmito objekty. Říká se tomu zákon převrácených čtverců (anglicky inverse-square law), podle něhož intenzita fyzikálního pole či také intenzita záření klesá s druhou mocninou vzdálenosti od zdroje.

Logo Ósacké univerzity.

Fungování tohoto zákona můžeme vidět v okolním vesmíru, například u planet, které obíhají kolem hvězd. Už jsme také zjistili, že tyto vztahy platí v měřítcích kolem 1 milimetru. Japonští vědci se teď ale pustili ještě mnohem hlouběji a měřili působení gravitace na extrémně nepatrných vzdálenostech. Jejich studii nedávno publikoval časopis Physical Review D.
Tatsushi Shima z Ósacké univerzity a další vědci při tomto výzkumu využili neutronové zařízení (neutron beamline facility) v komplexu Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), které je nejvýkonnější na světě. S jeho pomocí studovali působení gravitace na škále 0,1 nanometru, čímž se pustili do zkoumání gravitace na pomezí kvantových jevů.

Badatelé uspěli a rozšířili tím pádem možnosti pátrání po exotických projevech gravitace až do měřítka nanometrů. Také podotýkají, že by podobnými experimenty bylo možné testovat celou řadu jevů, které předpovídají přijímané teorie gravitace a které by měly působit v podobných měřítcích.

Komplex J-PARC. Kredit: Shoji Nagamiya / Wikimedia Commons.

Komplex J-PARC se nachází v kampusu Tokai agentury Japan Atomic Energy Agency (JAEA), asi 120 km severně od Tokia. Tvoří ho série protonových urychlovačů, které srážejí protony téměř rychlostí světla. Používají technologii pulzujících protonových paprsků, aby dosáhli rekordní intenzity vytvářených neutronových paprsků.

Měření gravitace v měřítku nanometrů. Kredit: NOP collaboration.

V experimentu s měřením gravitace na extrémně nepatrných vzdálenostech badatelé stříleli pulzy neutronových paprsků do komory plněné plynem, buď heliem anebo xenonem. Přitom zjišťovali, jak dlouho neutrony letí tímto plynem a k jakému rozptylu během toho dochází. Z výsledků těchto měření japonský tým odvodil, že na neutrony ve vzdálenosti kolem 0,1 nanometru nepůsobí žádná nevysvětlená exotická síla. Jinými slovy, tuto vzdálenost můžeme brát jako spodní mez velikosti, kde prokazatelně funguje gravitace taková, jakou ji známe v makrosvětě.

Badatelé jsou rovněž přesvědčeni, že jejich výzkum přispěje ke hledání exotických dimenzí. Pokud skutečně existují dimenze, které předpovídají strunové teorie, a gravitace je skutečně tak slabá kvůli tomu, že prosakuje do těchto normálně velmi skrytých dimenzí, tak bychom to podle japonského týmu mohli nějakým způsobem pozorovat právě v měřítku nanometrů.

Video:   J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) Center


Literatura
Osaka University 23. 3. 2018, Physical Review D 97: 062002.