Spustili teleskop na dubinu od 2.4 km da testiraju Einsteinovu teoriju

Na dubini od približno 2.400 metara ispod površine Sredozemnog mora, nedaleko od francuske obale, naučnici su proveli eksperiment kojim su pokušali otkriti postoje li odstupanja od jednog od temeljnih principa Einsteinove teorije relativnosti. Koristeći podvodni teleskop za detekciju gotovo neuhvatljivih subatomskih čestica, istraživači su dobili rezultate koji potvrđuju dosadašnje razumijevanje fizike, ali istovremeno postavljaju nova ograničenja za teorije koje pokušavaju objasniti prirodu prostora i vremena.

Riječ je o detektoru ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), dijelu međunarodnog projekta KM3NeT, koji je postavljen na morsko dno kod francuskog grada Toulona. Iako je tokom istraživanja bio izgrađen tek manji dio planiranog sistema, prikupljeni podaci omogućili su naučnicima da provedu testove uporedive s rezultatima znatno većih eksperimenata.

Izgubio pola ledaLedeni div nestaje, naučnici se opraštaju od zadnjeg glečera u Algajskim Alpama

Rezultati istraživanja objavljeni su u srijedu, 4. novembra, u naučnom časopisu Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Šta su naučnici pokušali dokazati?

Jedan od osnovnih principa moderne fizike jeste Lorentzova invarijantnost, prema kojoj zakoni prirode ostaju isti bez obzira na smjer kretanja ili brzinu posmatrača. Taj princip predstavlja važan temelj Einsteinove teorije relativnosti, ali i Standardnog modela fizike čestica. Iako obje teorije izuzetno uspješno opisuju različite dijelove fizičkog svijeta, njihovo objedinjavanje i dalje predstavlja jedan od najvećih izazova savremene nauke, prenosi livescience.com.

Opća teorija relativnosti objašnjava gravitaciju i ponašanje svemira na velikim udaljenostima, dok Standardni model opisuje subatomske čestice i njihove međusobne interakcije. Opća teorija relativnosti dobro opisuje svemir na kosmičkom nivou, a Standardni model fizike čestica opisuje mikroskopski nivo, odnosno pojedinačne čestice i njihovo ponašanje, objasnio je Lukas Hennig, doktorand napredne fizike na Univerzitetu Erlangen-Nürnberg i jedan od autora istraživanja. Problem se pojavljuje u ekstremnim okolnostima, poput onih koje su vladale neposredno nakon Velikog praska, kada se postojeće teorije ne mogu jednostavno uskladiti.

Zbog toga fizičari već decenijama pokušavaju razviti teoriju kvantne gravitacije, koja bi povezala Einsteinovu relativnost s kvantnom fizikom. Neki od predloženih modela, uključujući pojedine verzije teorije struna i teorije kvantne gravitacije petlji, dopuštaju mogućnost da prostor-vrijeme na najmanjim razmjerama nije potpuno glatko, nego ima svojevrsnu skrivenu zrnastu strukturu. U tom slučaju Lorentzova invarijantnost, kako je istakao Hennig, jedan od najosnovnijih principa na kojima počiva naše razumijevanje svemira, možda ne bi uvijek važila.

Čestice koje mogu proći kroz cijelu Zemlju

Da bi provjerili takvu mogućnost, istraživači su se usredsredili na neutrine, izuzetno sitne subatomske čestice koje gotovo nemaju masu i nemaju električni naboj. Njihova posebnost ogleda se u tome što veoma rijetko stupaju u interakciju s materijom. Ogroman broj neutrina svakodnevno prolazi kroz Zemlju i ljudska tijela, a da pritom ne ostavlja primjetne posljedice. Poznate su tri vrste ovih čestica: elektronski, mionski i tau neutrini.

Tokom kretanja neutrini mogu prelaziti iz jedne vrste u drugu, a taj proces naziva se neutrinska oscilacija. Promjene se odvijaju prema obrascima koje fizičari mogu matematički predvidjeti. Upravo su te oscilacije omogućile naučnicima da provjere postoji li odstupanje od Lorentzove invarijantnosti. Ako bi taj princip bio narušen, način na koji neutrini mijenjaju svoj tip mogao bi se razlikovati od očekivanog. Što je veća udaljenost koju čestice prijeđu, to bi moguća odstupanja bila izraženija.

Zbog toga su istraživači posmatrali neutrine koji nastaju kada kosmičke zrake udaraju u Zemljinu atmosferu na drugim dijelovima planete. Neki od tih neutrina prešli su gotovo cijeli promjer Zemlje, odnosno približno 12.700 kilometara, prije nego što su stigli do podvodnog detektora.

Kako funkcioniše teleskop na morskom dnu?

Postavljanje detektora ORCA zahtijevalo je složenu operaciju na otvorenom moru. Alba Domi, koja je u vrijeme početka projekta bila doktorandica, učestvovala je u spuštanju prvih detekcijskih jedinica s jednog od dva broda korištena za izgradnju teleskopa. Sistem je postavljen na dubinu od približno 2,4 kilometra, gdje se koriste posebne jedinice usidrene za morsko dno. Svaka od njih sadrži 18 staklenih sfera, a unutar svake sfere nalazi se 31 svjetlosni senzor.

Kada neutrino stupi u interakciju s nekom česticom u morskoj vodi, nastaje slab bljesak plave svjetlosti. Senzori registruju taj signal, a na osnovu prikupljenih podataka naučnici rekonstruiraju smjer kretanja i druge karakteristike čestice. Veliki broj senzora unutar pojedinačnih sfera omogućava preciznije određivanje pravca iz kojeg je svjetlost stigla, objasnila je Domi. Zemlja pritom ima važnu ulogu u samom eksperimentu jer služi kao prirodni filter.

Istraživači su analizirali samo čestice koje su prema detektoru dolazile odozdo, odnosno nakon prolaska kroz unutrašnjost planete. Na taj način mogli su ukloniti veliki broj drugih čestica nastalih u atmosferi, koje bi inače otežavale mjerenja.

- Samo neutrini mogu proći kroz Zemlju, istakao je Hennig.

ORCA se po načinu rada razlikuje od poznatog detektora IceCube, smještenog duboko u antarktičkom ledu, čija su istraživanja povezana s Nobelovom nagradom. Prema objašnjenju Albe Domi, led raspršuje svjetlost više nego voda, dok voda, s druge strane, apsorbuje više svjetlosti nego led. Te razlike utječu na način na koji naučnici rekonstruiraju energiju i putanju neutrina u pojedinim eksperimentima.

Rezultati dobijeni sa samo šest detekcijskih jedinica

Za potrebe istraživanja fizičari su analizirali ukupno 5.828 neutrina, registrovanih tokom približno 17 mjeseci, između 2020. i 2021. godine. Njihovo ponašanje upoređeno je s predviđanjima standardnih fizičkih modela. Rezultati nisu pokazali odstupanja od očekivanog obrasca neutrinskih oscilacija. Drugim riječima, naučnici nisu pronašli dokaz da je Lorentzova invarijantnost narušena.

Ipak, to ne znači da je mogućnost takvog odstupanja u potpunosti isključena. Istraživanje je omogućilo postavljanje novih granica unutar kojih bi eventualna odstupanja morala biti toliko mala da ih postojeća mjerenja nisu mogla registrovati. Takvi rezultati posebno su značajni za razvoj teorijskih modela koji pokušavaju objediniti relativnost i kvantnu fiziku.

- Ako neki model predviđa narušavanje Lorentzove invarijantnosti koje je veće od novih postavljenih granica, podaci ga isključuju. U tom slučaju možete biti prilično sigurni da model nije tačan, objasnio je Hennig.

Istraživači su prvi put postavili i direktna ograničenja za jednu vrstu mogućeg narušavanja Lorentzove invarijantnosti koja bi različito utjecala na mionske i tau neutrine. Posebno je zanimljivo da su rezultati postignuti pomoću samo šest detekcijskih jedinica, iako konačni sistem treba biti znatno veći. U pojedinim ključnim mjerenjima rezultati ORCA-e uporedivi su s onima japanskog detektora Super-Kamiokande, koji je koristio podatke prikupljane tokom 12 godina, te detektora IceCube, koji je analizirao dvije godine podataka iz svog kompletnog sistema.

- Iznenađen sam što smo postigli konkurentne rezultate sa samo šest detekcijskih jedinica, rekao je Hennig.

Novi eksperimenti mogli bi otkriti još više

Podvodni teleskop ORCA u međuvremenu je značajno proširen. Trenutno se u moru nalaze 44 detekcijske jedinice, a istraživački tim planira da ih do 2030. godine bude aktivno ukupno 108. Veći broj senzora omogućit će prikupljanje znatno više podataka i provođenje još preciznijih mjerenja. Naučnici se, međutim, ne namjeravaju ograničiti samo na neutrine koji nastaju u Zemljinoj atmosferi.

Budući da bi eventualna odstupanja od Lorentzove invarijantnosti postajala izraženija pri većim energijama i nakon prelaska ogromnih udaljenosti, posebnu pažnju namjeravaju posvetiti neutrinima koji dolaze iz udaljenih kosmičkih izvora.

- Neutrini iz udaljenih kosmičkih izvora zapravo su najbolji kandidati za ovu vrstu istraživanja, objasnila je Domi.

Zbog toga je planirano ponavljanje eksperimenta pomoću detektora ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), koji također pripada projektu KM3NeT. ARCA se nalazi u Sredozemnom moru, nedaleko od obale Sicilije, a posebno je osmišljen za registrovanje kosmičkih neutrina izuzetno visokih energija.

Takve čestice mogle bi omogućiti još osjetljivije provjere principa koji predstavljaju temelje moderne fizike. Dosadašnji rezultati nisu otkrili nedostatke u Einsteinovoj teoriji relativnosti, ali su dodatno suzili prostor za teorije koje predviđaju odstupanja od njenih osnovnih pretpostavki.

Ukoliko prostor-vrijeme zaista posjeduje skrivenu strukturu na najmanjim razmjerama, upravo bi neutrini koji putuju ogromnim kosmičkim udaljenostima mogli biti među prvim česticama na čijem bi se ponašanju takva osobina mogla otkriti.