Результат, полученный экспериментом PVLAS, нуждается в объяснении

Игорь Иванов

Итальянский эксперимент PVLAS, изучающий влияние магнитного поля на распространение светового луча в вакууме, обнаружил непонятное изменение поляризации света. Результат не только не вписывается в Стандартную модель физики элементарных частиц, но и находится в противоречии с некоторыми другими экспериментами.

Известный из школьного курса физики принцип суперпозиции гласит, что электрические поля от разных источников друг на друга не влияют. Поскольку свет — это электромагнитная волна, то, значит, электрические или магнитные поля никак не могут мешать распространению луча света в вакууме. Что и подтверждается опытом.

Квантовая теория, однако, вносит свои коррективы в этот закон. Она предсказывает, что из-за квантовых флуктуаций слабое воздействие внешних полей на световой луч всё же возникнет. Правда, сила этого воздействия будет существенной только при большой энергии пролетающих квантов света (в рентгеновском диапазоне и выше), а для обычного оптического излучения она пренебрежимо мала.

Впрочем, физики-теоретики горазды на выдумки. Например, они придумали модель нашего мира, которая во всем идентична общепринятой Стандартной модели, только в ней дополнительно присутствует новая очень легкая элементарная частица. Эта частица обладает удивительным свойством: она взаимодействует только с фотонами, причем так редко, что до сих пор остается незамеченной. И единственный способ, согласно модели, увидеть проявления этих частиц как раз и заключается в пропускании луча света сквозь область магнитного поля и наблюдения каких-либо изменений его поляризации.

Экспериментаторы, которые по долгу профессии не могут мириться с такой брешью в картине мира, прикладывают все усилия, чтобы обнаружить или отвергнуть существование этих частиц. С этой целью предпринят и итальянский эксперимент PVLAS, о результатах которого рассказывается в свежем препринте hep-ex/0512022.

В этом эксперименте лазерный луч строго определенной линейной поляризации проходит через вакуумную камеру длиной в 1 метр с магнитным полем напряженностью 5 Тесла. На выходе (а точнее, после многократного прохода туда-сюда) снова измеряется его поляризация. Чувствительность аппаратуры столь высока, что способна заметить изменение поляризации всего на одну десятитриллионную долю за один проход!

Вообще говоря, похожих опытов по поиску «чего-нибудь» аномального проводилось немало, и обычно в научно-популярных новостях после предыдущей фразы пишут: «... но даже с такой точностью ничего зарегистрировано не было».

Но тут всё оказалось гораздо интереснее. В эксперименте PVLAS отклонение было зарегистрировано. Причем оно наблюдалось не в одном-двух случаях, а стабильно на протяжении трех лет, с 2001-го по 2004 год, а также в 2005 году после модернизации эксперимента (последние данные, впрочем, еще до конца не обработаны). Кроме того, присутствие сигнала подтверждалось многочисленными перекрестными проверками. Если это отклонение описать в духе предложенных выше моделей, то можно даже примерно вычислить массу новой гипотетической частицы: порядка одного миллиэлектронвольта.

Казалось бы, можно смело заявлять об открытии, причем не просто новой частицы, а целой новой главы в физике элементарных частиц. Однако авторы не торопятся со столь сенсационными утверждениями, и на то есть веские причины.

Во-первых, эти результаты находятся в противоречии с результатами прямого (и безуспешного) поиска таких частиц в потоке солнечного излучения (эксперимент CAST, Physical Review Letters, 94, 121301, 1 April 2005). Как понять в этом контексте результат итальянцев, неясно.

Во-вторых, авторы честно замечают, что сама их установка, в силу невыясненных причин, тоже могла привести к непредвиденному изменению поляризации света. Как разделить настоящее явление вне Стандартной модели и артефакт эксперимента, пока непонятно. По-видимому, потребуется проверка этих результатов в других независимых экспериментах. Судя по их длительности, окончательный ответ на этот вопрос, скорее всего, отодвинется на несколько лет.

Стоит отметить, однако, что эта история иллюстрирует важную идею: для глубинной проверки устройства нашего мира не обязательно работать на ускорителях высоких энергий. Порой многое можно узнать и с помощью сверхчувствительного детектора, измеряющего слабый сигнал в течение длительного времени.