Beberapa ribu penderia yang diedarkan lebih dari satu kilometer persegi berhampiran Kutub Selatan ditugaskan untuk menjawab salah satu soalan besar dalam fizik: adakah graviti kuantum wujud? Penderia memantau neutrino—zarah tanpa cas elektrik dan hampir tanpa jisim—yang tiba di Bumi dari angkasa lepas. Pasukan dari Institut Niels Bohr (NBI), Universiti Copenhagen, telah menyumbang untuk membangunkan kaedah yang mengeksploitasi data neutrino untuk mendedahkan sama ada graviti kuantum wujud.
“Jika seperti yang kita percaya, graviti kuantum memang wujud, ini akan menyumbang untuk menyatukan dua dunia semasa dalam fizik. Hari ini, fizik klasik menerangkan fenomena dalam persekitaran biasa kita seperti graviti, manakala dunia atom hanya boleh digambarkan menggunakan mekanik kuantum.
“Penyatuan teori kuantum dan graviti kekal sebagai salah satu cabaran paling cemerlang dalam fizik asas. Ia akan menjadi sangat memuaskan jika kami dapat menyumbang untuk tujuan itu, "kata Tom Stuttard, Penolong Profesor di NBI.
Stuttard ialah pengarang bersama artikel yang diterbitkan oleh jurnal itu Fizik Alam. Artikel itu membentangkan hasil daripada kajian besar oleh pasukan NBI dan rakan sekerja Amerika. Lebih daripada 300,000 neutrino telah dikaji.
Walau bagaimanapun, ini bukan neutrino jenis yang paling menarik yang berasal dari sumber di angkasa lepas. Neutrino dalam kajian ini dicipta di atmosfera Bumi, kerana zarah tenaga tinggi dari angkasa berlanggar dengan nitrogen atau molekul lain.
"Melihat neutrino yang berasal dari atmosfera Bumi mempunyai kelebihan praktikal bahawa mereka jauh lebih biasa daripada adik-beradik mereka dari angkasa lepas. Kami memerlukan data daripada banyak neutrino untuk mengesahkan metodologi kami. Ini telah dicapai sekarang. Oleh itu, kami bersedia untuk memasuki fasa seterusnya di mana kami akan mengkaji neutrino dari angkasa lepas, "kata Stuttard.
Perjalanan tanpa gangguan melalui Bumi
Balai Cerap Neutrino IceCube terletak bersebelahan dengan Stesen Kutub Selatan Amundsen-Scott di Antartika. Berbeza dengan kebanyakan kemudahan astronomi dan astrofizik yang lain, IceCube berfungsi dengan terbaik untuk memerhatikan ruang di seberang Bumi, yang bermaksud hemisfera Utara. Ini kerana walaupun neutrino mampu menembusi planet kita dengan sempurna—dan juga terasnya yang panas dan padat—zarah-zarah lain akan dihentikan, dan isyarat itu lebih bersih untuk neutrino yang datang dari hemisfera Utara.
Kemudahan IceCube dikendalikan oleh Universiti Wisconsin-Madison, AS Lebih daripada 300 saintis dari negara di seluruh dunia terlibat dalam kerjasama IceCube. Universiti Copenhagen ialah salah satu daripada lebih 50 universiti dengan pusat IceCube untuk kajian neutrino.
Memandangkan neutrino tidak mempunyai cas elektrik dan hampir tidak berjisim, ia tidak terganggu oleh kuasa elektromagnet dan nuklear yang kuat, membolehkannya mengembara berbilion tahun cahaya melalui alam semesta dalam keadaan asalnya.
Persoalan utama ialah sama ada sifat neutrino sebenarnya tidak berubah sama sekali semasa ia bergerak dalam jarak yang jauh atau jika perubahan kecil ketara selepas semua.
"Jika neutrino mengalami perubahan halus yang kami syak, ini akan menjadi bukti kukuh pertama graviti kuantum," kata Stuttard.
Neutrino datang dalam tiga perisa
Untuk memahami perubahan dalam sifat neutrino yang dicari oleh pasukan, beberapa maklumat latar belakang diperlukan. Walaupun kita merujuknya sebagai zarah, apa yang kita perhatikan sebagai neutrino sebenarnya adalah tiga zarah yang dihasilkan bersama, yang dikenali dalam mekanik kuantum sebagai superposisi.
Neutrino boleh mempunyai tiga konfigurasi asas—rasa seperti yang diistilahkan oleh ahli fizik—iaitu elektron, muon dan tau. Manakah antara konfigurasi ini yang kita perhatikan perubahan semasa neutrino bergerak, fenomena yang benar-benar aneh yang dikenali sebagai ayunan neutrino. Tingkah laku kuantum ini dikekalkan sepanjang beribu-ribu kilometer atau lebih, yang dirujuk sebagai koheren kuantum.
"Dalam kebanyakan eksperimen, koheren tidak lama lagi dipecahkan. Tetapi ini tidak dipercayai disebabkan oleh graviti kuantum. Ia hanya sangat sukar untuk mencipta keadaan yang sempurna dalam makmal. Anda mahukan vakum yang sempurna, tetapi entah bagaimana beberapa molekul berjaya menyelinap masuk dsb.
"Sebaliknya, neutrino adalah istimewa kerana ia tidak dipengaruhi oleh jirim di sekelilingnya, jadi kita tahu bahawa jika koheren dipecahkan, ia tidak akan disebabkan oleh kekurangan dalam persediaan eksperimen buatan manusia, " jelas Stuttard.
Ramai rakan sekerja ragu-ragu
Ditanya sama ada hasil kajian diterbitkan dalam Fizik Alam Seperti yang diharapkan, penyelidik menjawab, "Kami mendapati diri kita berada dalam kategori projek sains yang jarang berlaku, iaitu eksperimen yang tidak wujud rangka kerja teori yang mantap. Oleh itu, kami tidak tahu apa yang diharapkan. Walau bagaimanapun, kami tahu bahawa kami boleh mencari beberapa sifat umum yang mungkin kami jangkakan oleh teori kuantum graviti."
“Walaupun kami mempunyai harapan untuk melihat perubahan yang berkaitan dengan graviti kuantum, hakikat bahawa kami tidak melihatnya tidak mengecualikan sama sekali bahawa ia adalah nyata. Apabila neutrino atmosfera dikesan di kemudahan Antartika, ia biasanya telah mengembara melalui Bumi. Bermaksud kira-kira 12,700 km—jarak yang sangat singkat berbanding dengan neutrino yang berasal dari alam semesta yang jauh. Nampaknya, jarak yang lebih jauh diperlukan untuk graviti kuantum memberi kesan, jika ia wujud, "kata Stuttard, sambil menyatakan bahawa matlamat utama kajian itu adalah untuk mewujudkan metodologi.
"Selama bertahun-tahun, ramai ahli fizik meragui sama ada eksperimen boleh berharap untuk menguji graviti kuantum. Analisis kami menunjukkan bahawa ia sememangnya mungkin, dan dengan pengukuran masa depan dengan neutrino astrofizik, serta pengesan yang lebih tepat dibina dalam dekad yang akan datang, kami berharap akhirnya dapat menjawab soalan asas ini."