Зашто су научници потопили телескоп на дно мора да би тестирали Ајнштајнову теорију релативности

Детектор, назван „Орка“ (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), региструје тешко ухватљиве честице познате као неутрини. Докторандкиња Алба Доми укрцала се на један од два брода који су учествовали у изградњи телескопа и запловила Медитераном. Током експедиције, неке од првих детекторских јединица спуштене су на морско дно, на дубину од око 2,4 километра, недалеко од француског града Тулона.

Подаци прикупљени помоћу тих првих детекторских јединица сада су употребљени за проверу једног од темељних принципа Ајнштајнове теорије релативности: идеје да закони природе изгледају исто без обзира на то у ком правцу се крећемо или којом се брзином крећемо.

Истраживачи нису пронашли доказе да је овај принцип, познат као Лоренцова инваријантност, нарушен. Иако је детектор за сада само делић планиране величине, његови резултати по прецизности могу да се пореде са налазима знатно већих експеримената који су трајали много дуже.

Резултати истраживања објављени су у научном часопису Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Пукотина у простор-времену?

Физика почива на две успешне теорије: општој теорији релативности, коју је Алберт Ајнштајн осмислио пре више од 100 година, и Стандардном моделу физике субатомских честица.

„Општа теорија релативности добро описује свемир на космичкој скали, док Стандардни модел физике честица описује микроскопску скалу, односно саме честице и начин на који се понашају“, рекао је коаутор студије Лукас Хениг, докторанд напредне физике на Универзитету у Ерлангену и Нирнбергу.

Обе теорије полазе од претпоставке да Лоренцова инваријантност важи. Међутим, у екстремним условима, попут првих тренутака након Великог праска, ове две теорије нису у потпуности усклађене. Због тога физичари већ деценијама трагају за теоријом квантне гравитације која би их објединила.

Неки од предложених модела, укључујући поједине верзије теорије струна и петљасте квантне гравитације, указују на могућност да простор-време на најмањим скалама има скривену зрнасту структуру. То би значило да би Лоренцова инваријантност, „једна од најосновнијих претпоставки које имамо о нашем свемиру, могла да буде нарушена“, објаснио је Хениг.

Свако такво нарушавање било би изузетно мало. Да би га уочили, физичарима је потребна честица која може да пређе огромне удаљености, а да успут готово ни са чим не ступи у интеракцију. Управо ту на сцену ступају неутрини.

Честице које мењају облик

Неутрини су честице готово занемарљиве масе које сваке секунде пролазе кроз Земљу и немају електрични набој. Готово да не ступају у интеракцију са другим честицама, а постоје у три врсте: електронски, мионски и тау-неутрини.

Док путују кроз простор, неутрини прелазе из једне врсте у другу по предвидљивом обрасцу, што физичари називају осцилацијама неутрина.

Уколико би Лоренцова инваријантност била нарушена, промениле би се и те осцилације, а ефекат би био израженији што би неутрини прелазили већу удаљеност.

Зато су се истраживачи усредсредили на неутрине који настају када космички зраци ударе у атмосферу на различитим деловима Земље, а затим путују кроз планету до детектора. Неки од испитиваних неутрина прешли су читаву ширину Земље, односно око 12.700 километара.

„Орка“ је део неутринског телескопа KM3NeT. Свака његова детекторска јединица причвршћена је за морско дно и садржи 18 стаклених сфера, од којих свака има по 31 светлосни сензор.

Када се неутрино судари са неком честицом у води, настаје слаб бљесак плаве светлости који сензори региструју. Велики број сензора у свакој сфери омогућава истраживачима да утврде из ког правца је светлост дошла, објаснила је Доми.

И сама Земља служи као својеврсни филтер. Истраживачи су одабрали само честице које се крећу навише, кроз унутрашњост планете, чиме су успели да издвоје сигнал неутрина од огромног броја других честица из атмосфере које би га иначе надјачале.

„Само неутрини могу да прођу кроз Земљу“, рекао је Хениг.

Овај систем разликује се од детектора Ајскјуб (IceCube), смештеног испод леда на Антарктику, који је такође освојио Нобелову награду за свој допринос истраживању неутрина.

„Лед више расипа светлост него вода, али вода, с друге стране, више апсорбује светлост него лед“, објаснила је Доми. Због тога истраживачки тимови на различите начине реконструишу енергију и путању неутрина.

Мали детектор са великим могућностима

Истраживачи су анализирали 5.828 неутрина прикупљених током приближно 17 месеци, у периоду од 2020. до 2021. године. Установили су да су њихове осцилације у складу са предвиђањима стандардне физике. То значи да, уколико нарушавање Лоренцове инваријантности постоји, његов ефекат мора бити слабији од граница које је тим успео да утврди.

Ови резултати важни су и за теоретичаре. Уколико неки модел „предвиђа нарушавање Лоренцове инваријантности које је израженије од новоутврђених граница, подаци га искључују. У том случају можете бити прилично сигурни да тај модел није тачан“, рекао је Хениг.

Тим је такође први пут поставио директне границе за једну врсту нарушавања која би различито утицала на мионске и тау-неутрине.

У неколико кључних мерења, резултати детектора „Орка“ могу да се пореде са онима добијеним помоћу јапанског детектора Супер-Камиоканде (Super-Kamiokande), за који је коришћено 12 година података, као и са резултатима детектора Ајскјуб, заснованим на две године мерења његовим комплетним системом.

„Изненађен сам што смо добили резултате који могу да се пореде са другим истраживањима, иако имамо само шест детекторских јединица“, рекао је Хениг.

Данас се у води налазе 44 детекторске јединице, а међународна научна сарадња планира да до 2030. године активира укупно 108.

Најбољи резултати, међутим, тек би могли да уследе. Пошто ефекти нарушавања Лоренцове инваријантности расту са удаљеношћу и енергијом, неутрини који долазе из удаљених космичких извора „заправо су најбољи кандидати за ову врсту истраживања“, рекла је Доми.

Тим планира да понови потрагу за могућим одступањима користећи „Арку“ (ARCA), други детектор из система KM3NeT, који се налази у мору недалеко од обале Сицилије. За разлику од „Орке“, „Арка“ је посебно конструисан за откривање високоенергетских честица које пристижу из дубоког свемира.