Перед несколькими тысячами датчиков, рассредоточенных на площади квадратного километра вблизи Южного полюса, стоит задача ответить на один из важнейших нерешенных вопросов физики: существует ли квантовая гравитация? Датчики отслеживают нейтрино — частицы без электрического заряда и почти без массы, прилетающие на Землю из космоса. Команда из Института Нильса Бора (NBI) Копенгагенского университета внесла свой вклад в разработку метода, который использует данные о нейтрино, чтобы выявить, существует ли квантовая гравитация.
«Если, как мы считаем, квантовая гравитация действительно существует, это будет способствовать объединению двух нынешних миров в физике. Сегодня классическая физика описывает явления в нашем обычном окружении, такие как гравитация, тогда как атомный мир можно описать только с помощью квантовой механики.
«Объединение квантовой теории и гравитации остается одной из самых нерешённых задач фундаментальной физики. Было бы очень приятно, если бы мы могли внести свой вклад в эту цель», — говорит Том Статтард, доцент NBI.
Статтард является соавтором статьи, опубликованной в журнале. Физика природы. В статье представлены результаты большого исследования, проведенного командой NBI и американскими коллегами. Было изучено более 300,000 XNUMX нейтрино.
Однако это не нейтрино самого интересного типа, происходящие из источников в глубоком космосе. Нейтрино в этом исследовании были созданы в атмосфере Земли, когда частицы высокой энергии из космоса столкнулись с азотом или другими молекулами.
«Наблюдение за нейтрино, происходящими из атмосферы Земли, имеет то практическое преимущество, что они гораздо более распространены, чем их собратья из космоса. Нам нужны были данные по множеству нейтрино, чтобы проверить нашу методологию. Сейчас это достигнуто. Таким образом, мы готовы перейти к следующему этапу, на котором мы будем изучать нейтрино из глубокого космоса», — говорит Стуттард.
Путешествуйте по Земле без помех
Нейтринная обсерватория IceCube расположена рядом с Южнополярной станцией Амундсен-Скотт в Антарктиде. В отличие от большинства других астрономических и астрофизических объектов, 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 способны проникнуть в нашу планету – и даже в ее горячее и плотное ядро – другие частицы будут остановлены, и, таким образом, сигнал будет намного чище для нейтрино, приходящих из северного полушария.
Установка IceCube находится в ведении Университета Висконсин-Мэдисон, США. В коллаборации IceCube приняли участие более 300 ученых из стран всего мира. Копенгагенский университет — один из более чем 50 университетов, в которых есть центр IceCube по изучению нейтрино.
Поскольку нейтрино не имеет электрического заряда и почти не имеет массы, на него не влияют электромагнитные и сильные ядерные силы, что позволяет ему путешествовать по Вселенной на миллиарды световых лет в исходном состоянии.
Ключевой вопрос заключается в том, действительно ли свойства нейтрино полностью изменяются при его перемещении на большие расстояния или же незначительные изменения все-таки заметны.
«Если нейтрино претерпит те тонкие изменения, которые мы подозреваем, это станет первым убедительным доказательством существования квантовой гравитации», — говорит Статтард.
Нейтрино бывает трех видов
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 представляет собой три частицы, возникшие вместе, что в квантовой механике известно как суперпозиция.
Нейтрино может иметь три фундаментальные конфигурации — ароматы, как их называют физики, — электронную, мюонную и тау-конфигурацию. Какая из этих конфигураций мы наблюдаем, меняется по мере движения нейтрино — поистине странного явления, известного как нейтринные осцилляции. Такое квантовое поведение сохраняется на протяжении тысяч и более километров и называется квантовой когерентностью.
«В большинстве экспериментов когерентность вскоре нарушается. Но не считается, что это вызвано квантовой гравитацией. Просто в лаборатории очень сложно создать идеальные условия. Вам нужен идеальный вакуум, но каким-то образом нескольким молекулам удается проникнуть внутрь и т. д.
«Напротив, нейтрино уникальны тем, что на них просто не влияет окружающая их материя, поэтому мы знаем, что если когерентность будет нарушена, то это произойдет не из-за недостатков искусственной экспериментальной установки», — объясняет Статтард.
Многие коллеги отнеслись к этому скептически.
На вопрос, опубликованы ли результаты исследования в Физика природы были такими, как и ожидалось, отвечает исследователь: «Мы попадаем в редкую категорию научных проектов, а именно в эксперименты, для которых не существует установленной теоретической основы. Таким образом, мы просто не знали, чего ожидать. Однако мы знали, что можем найти некоторые общие свойства, которые, как мы могли ожидать, должна 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 того, что они реальны. Когда атмосферное нейтрино обнаруживается на антарктическом объекте, оно обычно проходит через Землю. Это означает примерно 12,700 XNUMX км — очень небольшое расстояние по сравнению с нейтрино, происходящими из далекой Вселенной. По-видимому, для того, чтобы квантовая гравитация оказала влияние, если оно существует, необходимо гораздо большее расстояние», — говорит Стуттард, отмечая, что главной целью исследования было установление методологии.
«В течение многих лет многие физики сомневались, смогут ли эксперименты когда-либо надеяться проверить квантовую гравитацию. Наш анализ показывает, что это действительно возможно, и с помощью будущих измерений астрофизических нейтрино, а также создания более точных детекторов, которые будут созданы в ближайшее десятилетие, мы надеемся наконец ответить на этот фундаментальный вопрос».