Zašto su naučnici potopili teleskop na dno mora da bi testirali Ajnštajnovu teoriju relativnosti

Detektor, nazvan „Orka“ (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), registruje teško uhvatljive čestice poznate kao neutrini. Doktorandkinja Alba Domi ukrcala se na jedan od dva broda koji su učestvovali u izgradnji teleskopa i zaplovila Mediteranom. Tokom ekspedicije, neke od prvih detektorskih jedinica spuštene su na morsko dno, na dubinu od oko 2,4 kilometra, nedaleko od francuskog grada Tulona.

Podaci prikupljeni pomoću tih prvih detektorskih jedinica sada su upotrebljeni za proveru jednog od temeljnih principa Ajnštajnove teorije relativnosti: ideje da zakoni prirode izgledaju isto bez obzira na to u kom pravcu se krećemo ili kojom se brzinom krećemo.

Istraživači nisu pronašli dokaze da je ovaj princip, poznat kao Lorencova invarijantnost, narušen. Iako je detektor za sada samo delić planirane veličine, njegovi rezultati po preciznosti mogu da se porede sa nalazima znatno većih eksperimenata koji su trajali mnogo duže.

Rezultati istraživanja objavljeni su u naučnom časopisu Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Pukotina u prostor-vremenu?

Fizika počiva na dve uspešne teorije: opštoj teoriji relativnosti, koju je Albert Ajnštajn osmislio pre više od 100 godina, i Standardnom modelu fizike subatomskih čestica.

„Opšta teorija relativnosti dobro opisuje svemir na kosmičkoj skali, dok Standardni model fizike čestica opisuje mikroskopsku skalu, odnosno same čestice i način na koji se ponašaju“, rekao je koautor studije Lukas Henig, doktorand napredne fizike na Univerzitetu u Erlangenu i Nirnbergu.

Obe teorije polaze od pretpostavke da Lorencova invarijantnost važi. Međutim, u ekstremnim uslovima, poput prvih trenutaka nakon Velikog praska, ove dve teorije nisu u potpunosti usklađene. Zbog toga fizičari već decenijama tragaju za teorijom kvantne gravitacije koja bi ih objedinila.

Neki od predloženih modela, uključujući pojedine verzije teorije struna i petljaste kvantne gravitacije, ukazuju na mogućnost da prostor-vreme na najmanjim skalama ima skrivenu zrnastu strukturu. To bi značilo da bi Lorencova invarijantnost, „jedna od najosnovnijih pretpostavki koje imamo o našem svemiru, mogla da bude narušena“, objasnio je Henig.

Svako takvo narušavanje bilo bi izuzetno malo. Da bi ga uočili, fizičarima je potrebna čestica koja može da pređe ogromne udaljenosti, a da usput gotovo ni sa čim ne stupi u interakciju. Upravo tu na scenu stupaju neutrini.

Čestice koje menjaju oblik

Neutrini su čestice gotovo zanemarljive mase koje svake sekunde prolaze kroz Zemlju i nemaju električni naboj. Gotovo da ne stupaju u interakciju sa drugim česticama, a postoje u tri vrste: elektronski, mionski i tau-neutrini.

Dok putuju kroz prostor, neutrini prelaze iz jedne vrste u drugu po predvidljivom obrascu, što fizičari nazivaju oscilacijama neutrina.

Ukoliko bi Lorencova invarijantnost bila narušena, promenile bi se i te oscilacije, a efekat bi bio izraženiji što bi neutrini prelazili veću udaljenost.

Zato su se istraživači usredsredili na neutrine koji nastaju kada kosmički zraci udare u atmosferu na različitim delovima Zemlje, a zatim putuju kroz planetu do detektora. Neki od ispitivanih neutrina prešli su čitavu širinu Zemlje, odnosno oko 12.700 kilometara.

„Orka“ je deo neutrinskog teleskopa KM3NeT. Svaka njegova detektorska jedinica pričvršćena je za morsko dno i sadrži 18 staklenih sfera, od kojih svaka ima po 31 svetlosni senzor.

Kada se neutrino sudari sa nekom česticom u vodi, nastaje slab bljesak plave svetlosti koji senzori registruju. Veliki broj senzora u svakoj sferi omogućava istraživačima da utvrde iz kog pravca je svetlost došla, objasnila je Domi.

I sama Zemlja služi kao svojevrsni filter. Istraživači su odabrali samo čestice koje se kreću naviše, kroz unutrašnjost planete, čime su uspeli da izdvoje signal neutrina od ogromnog broja drugih čestica iz atmosfere koje bi ga inače nadjačale.

„Samo neutrini mogu da prođu kroz Zemlju“, rekao je Henig.

Ovaj sistem razlikuje se od detektora Ajskjub (IceCube), smeštenog ispod leda na Antarktiku, koji je takođe osvojio Nobelovu nagradu za svoj doprinos istraživanju neutrina.

„Led više rasipa svetlost nego voda, ali voda, s druge strane, više apsorbuje svetlost nego led“, objasnila je Domi. Zbog toga istraživački timovi na različite načine rekonstruišu energiju i putanju neutrina.

Mali detektor sa velikim mogućnostima

Istraživači su analizirali 5.828 neutrina prikupljenih tokom približno 17 meseci, u periodu od 2020. do 2021. godine. Ustanovili su da su njihove oscilacije u skladu sa predviđanjima standardne fizike. To znači da, ukoliko narušavanje Lorencove invarijantnosti postoji, njegov efekat mora biti slabiji od granica koje je tim uspeo da utvrdi.

Ovi rezultati važni su i za teoretičare. Ukoliko neki model „predviđa narušavanje Lorencove invarijantnosti koje je izraženije od novoutvrđenih granica, podaci ga isključuju. U tom slučaju možete biti prilično sigurni da taj model nije tačan“, rekao je Henig.

Tim je takođe prvi put postavio direktne granice za jednu vrstu narušavanja koja bi različito uticala na mionske i tau-neutrine.

U nekoliko ključnih merenja, rezultati detektora „Orka“ mogu da se porede sa onima dobijenim pomoću japanskog detektora Super-Kamiokande (Super-Kamiokande), za koji je korišćeno 12 godina podataka, kao i sa rezultatima detektora Ajskjub, zasnovanim na dve godine merenja njegovim kompletnim sistemom.

„Iznenađen sam što smo dobili rezultate koji mogu da se porede sa drugim istraživanjima, iako imamo samo šest detektorskih jedinica“, rekao je Henig.

Danas se u vodi nalaze 44 detektorske jedinice, a međunarodna naučna saradnja planira da do 2030. godine aktivira ukupno 108.

Najbolji rezultati, međutim, tek bi mogli da uslede. Pošto efekti narušavanja Lorencove invarijantnosti rastu sa udaljenošću i energijom, neutrini koji dolaze iz udaljenih kosmičkih izvora „zapravo su najbolji kandidati za ovu vrstu istraživanja“, rekla je Domi.

Tim planira da ponovi potragu za mogućim odstupanjima koristeći „Arku“ (ARCA), drugi detektor iz sistema KM3NeT, koji se nalazi u moru nedaleko od obale Sicilije. Za razliku od „Orke“, „Arka“ je posebno konstruisan za otkrivanje visokoenergetskih čestica koje pristižu iz dubokog svemira.