By 
Декільком тисячам датчиків, розташованих на квадратному кілометрі біля Південного полюса, поставлено завдання відповісти на одне з великих невирішених питань у фізиці: чи існує квантова гравітація? Датчики контролюють нейтрино — частинки без електричного заряду і майже без маси, які прибувають на Землю з космосу. Команда з Інституту Нільса Бора (NBI) Копенгагенського університету внесла свій внесок у розробку методу, який використовує дані про нейтрино, щоб виявити, чи існує квантова гравітація.
«Якщо, як ми віримо, квантова гравітація дійсно існує, це сприятиме об’єднанню нинішніх двох світів фізики. Сьогодні класична фізика описує явища в нашому нормальному оточенні, такі як гравітація, тоді як атомний світ можна описати лише за допомогою квантової механіки.
«Об’єднання квантової теорії та гравітації залишається одним із найвидатніших викликів у фундаментальній фізиці. Було б дуже приємно, якби ми змогли зробити свій внесок у досягнення цієї мети», — каже Том Статтард, доцент NBI.
Штуттард є співавтором статті, опублікованої в журналі Nature Physics. У статті представлені результати великого дослідження команди NBI та американських колег. Досліджено понад 300 тис. нейтрино. Однак це не нейтрино найцікавішого типу, що походять із джерел у далекому космосі. Нейтрино в цьому дослідженні були створені в атмосфері Землі, коли високоенергетичні частинки з космосу стикалися з азотом або іншими молекулами.
«Погляд на нейтрино, що походять із земної атмосфери, має практичну перевагу в тому, що вони набагато більш поширені, ніж їхні побратими з космосу. Нам потрібні були дані багатьох нейтрино, щоб підтвердити нашу методологію. Зараз це зроблено. Таким чином, ми готові до перейти до наступної фази, на якій ми будемо вивчати нейтрино з глибокого космосу», — каже Штуттард.
Безтурботно подорожує Землею
Нейтринна обсерваторія IceCube розташована поруч із Південнополярною станцією Амундсена-Скотта в Антарктиді. На відміну від більшості інших астрономічних і астрофізичних установок, IceCube найкраще працює для спостереження за космосом на протилежному боці Землі, тобто в північній півкулі. Це пояснюється тим, що хоча нейтрино цілком здатне проникнути через нашу планету — і навіть через її гаряче, щільне ядро — інші частинки будуть зупинені, і таким чином сигнал набагато чистіший для нейтрино, що надходить із північної півкулі.
Об’єктом IceCube керує Університет Вісконсіна-Медісон, США. Понад 300 науковців з усього світу брали участь у співпраці IceCube. Університет Копенгагена є одним із понад 50 університетів із центром IceCube для вивчення нейтрино.
Оскільки нейтрино не має електричного заряду та є майже безмасовим, воно не зачіпається електромагнітними та сильними ядерними силами, що дозволяє йому мандрувати мільярди світлових років через Всесвіт у своєму початковому стані. Ключове питання полягає в тому, чи насправді властивості нейтрино повністю незмінні, коли воно подорожує на великі відстані, чи все-таки помітні крихітні зміни.
«Якщо нейтрино зазнає тих ледве помітних змін, про які ми підозрюємо, це стане першим переконливим доказом квантової гравітації», — каже Стуттард.
Нейтрино буває трьох видів
Щоб зрозуміти, які зміни у властивостях нейтрино шукає команда, потрібна довідкова інформація. Хоча ми називаємо це частинкою, те, що ми спостерігаємо як нейтрино, насправді є трьома частинками, створеними разом, відомими у квантовій механіці як суперпозиція.
Нейтрино може мати три фундаментальні конфігурації — аромати, як їх називають фізики, — це електрон, мюон і тау. Яка з цих конфігурацій, яку ми спостерігаємо, змінюється під час подорожі нейтрино, справді дивного явища, відомого як осциляції нейтрино. Ця квантова поведінка зберігається протягом тисяч кілометрів і більше, що називається квантовою когерентністю.
«У більшості експериментів когерентність незабаром порушується. Але вважається, що це не спричинено квантовою гравітацією. Просто дуже важко створити ідеальні умови в лабораторії. Вам потрібен ідеальний вакуум, але якимось чином кільком молекулам вдається проникнути туди. тощо
«Натомість нейтрино особливі тим, що на них просто не впливає речовина навколо них, тому ми знаємо, що якщо когерентність порушується, це не буде через недоліки в створеній людиною експериментальній установці», — пояснює Штуттард.
Багато колег поставилися до цього скептично
На запитання, чи результати дослідження, опубліковані в Nature Physics, відповідають очікуванням, дослідник відповідає: «Ми опинились у рідкісній категорії наукових проектів, а саме експериментів, для яких не існує встановленої теоретичної основи. Таким чином, ми просто не знали, що робити, однак ми знали, що можемо шукати деякі загальні властивості, які ми могли б очікувати від квантової теорії гравітації».
«Хоча ми сподівалися побачити зміни, пов’язані з квантовою гравітацією, той факт, що ми їх не бачили, зовсім не виключає, що вони реальні. Коли атмосферне нейтрино виявляється на антарктичному об’єкті, воно, як правило, проходило через нього. Земля. Це означає приблизно 12 700 км — дуже коротка відстань у порівнянні з нейтрино, що походять із далекого Всесвіту. Очевидно, для впливу квантової гравітації, якщо вона існує, потрібна набагато більша відстань», — каже Штуттард, зазначивши, що головна мета — дослідження полягало у встановленні методології.
«Протягом багатьох років багато фізиків сумнівалися, чи можуть експерименти коли-небудь перевірити квантову гравітацію. Наш аналіз показує, що це дійсно можливо, і з майбутніми вимірюваннями з астрофізичними нейтрино, а також з більш точними детекторами, які будуть створені в найближче десятиліття, ми сподіваємося, нарешті відповісти на це фундаментальне запитання».
Comments