Несколько тысяч датчиков, разбросанных на квадратном километре вблизи Южного полюса, должны ответить на один из самых больших нерешенных вопросов в физике: существует ли квантовая гравитация?
Датчики отслеживают нейтрино — частицы без электрического заряда и почти без массы, — прибывающие на Землю из космоса. Команда ученых из Института Нильса Бора (NBI) Копенгагенского университета внесла свой вклад в разработку метода, который использует нейтринные данные для выявления существования квантовой гравитации, сообщает «phys.org».
«Если, как мы полагаем, квантовая гравитация действительно существует, это будет способствовать объединению двух современных миров в физике. Сегодня классическая физика описывает явления в нашем обычном окружении, такие как гравитация, в то время как атомный мир может быть описан только с помощью квантовой механики.
Нейтрино в этом исследовании были созданы в атмосфере Земли, когда высокоэнергетические частицы из космоса столкнулись с азотом или другими молекулами.
«Наблюдение за нейтрино, происходящими из атмосферы Земли, имеет практическое преимущество, заключающееся в том, что они гораздо более распространены, чем их братья и сестры из космоса. Нам понадобились данные от многих нейтрино, чтобы подтвердить нашу методологию. Сейчас это сделано. Таким образом, мы готовы перейти к следующему этапу, в котором мы будем изучать нейтрино из глубокого космоса», — говорит Штуттард.
Нейтринная обсерватория IceCube расположена рядом со станцией Амундсен-Скотт на Южном полюсе в Антарктиде. В отличие от большинства других астрономических и астрофизических приборов, IceCube лучше всего подходит для наблюдения за космосом на противоположной стороне Земли, то есть в Северном полушарии. Это связано с тем, что, хотя нейтрино вполне способно проникнуть в нашу планету и даже в ее горячее, плотное ядро, другие частицы будут остановлены, и сигнал, таким образом, будет намного чище для нейтрино, приходящих из Северного полушария.
В коллаборации IceCube было задействовано более 300 ученых из разных стран мира. Университет Копенгагена является одним из более чем 50 университетов, имеющих центр нейтринных исследований IceCube.
Поскольку нейтрино не имеет электрического заряда и почти не имеет массы, оно не возмущается электромагнитными и сильными ядерными силами, что позволяет ему путешествовать по Вселенной на миллиарды световых лет в своем первоначальном состоянии.
Ключевой вопрос заключается в том, действительно ли свойства нейтрино совершенно не меняются при его перемещении на большие расстояния, или же крошечные изменения все-таки заметны.
«Если нейтрино претерпит тонкие изменения, о которых мы подозреваем, это будет первым убедительным доказательством квантовой гравитации», — говорит Штуттард.
Чтобы понять, какие изменения в свойствах нейтрино ищет команда, необходима некоторая справочная информация. Хотя мы называем его частицей, то, что мы наблюдаем как нейтрино, на самом деле является тремя частицами, созданными вместе, известными в квантовой механике как суперпозиция.
Нейтрино может иметь три фундаментальные конфигурации — ароматы, как их называют физики, — это электрон, мюон и тау. Какая-то из этих конфигураций которую мы наблюдаем, меняется по мере того, как нейтрино движется, и это действительно странное явление, известное как осцилляции нейтрино. Это квантовое поведение сохраняется на расстоянии тысячи километров и более, что называется квантовой когерентностью.
«В большинстве экспериментов когерентность вскоре нарушается. Но считается, что это не вызвано квантовой гравитацией. Просто очень сложно создать идеальные условия в лаборатории. Вы хотите идеального вакуума, но каким-то образом несколько молекул умудряются проникнуть внутрь и т.д.
«В отличие от них, нейтрино отличаются тем, что на них просто не влияет окружающая их материя, поэтому мы знаем, что если когерентность будет нарушена, это произойдет не из-за недостатков в экспериментальной установке, созданной человеком», — объясняет Штуттард.
На вопрос о том, оправдали ли результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Physics, исследователь ответил: «Мы оказались в редкой категории научных проектов, а именно в экспериментах, для которых не существует устоявшейся теоретической базы. Таким образом, мы просто не знали, чего ожидать. Тем не менее, мы знали, что можем искать некоторые общие свойства, которые, как мы можем ожидать, будет иметь квантовая теория гравитации».
«Хотя у нас были надежды увидеть изменения, связанные с квантовой гравитацией, тот факт, что мы их не увидели, вовсе не исключает, что они реальны. Когда атмосферное нейтрино обнаруживается на антарктической установке, оно, как правило, проходит через Землю. Имеется в виду примерно 12 700 км — очень небольшое расстояние по сравнению с нейтрино, зарождающимися в далекой Вселенной. По-видимому, для того, чтобы квантовая гравитация оказала влияние, необходимо гораздо большее расстояние, если она существует», — говорит Штуттард, отмечая, что главной целью исследования было установление методологии.
В течение многих лет многие физики сомневались в том, что эксперименты могут когда-либо проверить квантовую гравитацию. Наш анализ показывает, что это действительно возможно, и с будущими измерениями с помощью астрофизических нейтрино, а также с более точными детекторами, которые будут построены в ближайшее десятилетие, мы надеемся, наконец, ответить на этот фундаментальный вопрос».