เซ็นเซอร์หลายพันตัวกระจายอยู่ในพื้นที่หนึ่งตารางกิโลเมตรใกล้ขั้วโลกใต้ได้รับมอบหมายให้ตอบคำถามสำคัญข้อหนึ่งทางฟิสิกส์: แรงโน้มถ่วงควอนตัมมีอยู่หรือไม่ เซ็นเซอร์จะตรวจสอบนิวทริโนซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้าและแทบไม่มีมวลซึ่งเดินทางมาถึงโลกจากนอกโลก ทีมงานจากสถาบัน Niels Bohr (NBI) มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน ได้มีส่วนร่วมในการพัฒนาวิธีการใช้ประโยชน์จากข้อมูลนิวตริโนเพื่อเผยให้เห็นว่ามีแรงโน้มถ่วงควอนตัมอยู่หรือไม่
“ถ้าอย่างที่เราเชื่อ แรงโน้มถ่วงควอนตัมมีอยู่จริง สิ่งนี้จะช่วยรวมโลกทั้งสองในฟิสิกส์เข้าด้วยกัน ปัจจุบัน ฟิสิกส์คลาสสิกบรรยายปรากฏการณ์ในสภาพแวดล้อมปกติของเรา เช่น แรงโน้มถ่วง ในขณะที่โลกอะตอมสามารถอธิบายได้โดยใช้กลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น
“การรวมกันของทฤษฎีควอนตัมและแรงโน้มถ่วงยังคงเป็นหนึ่งในความท้าทายที่โดดเด่นที่สุดในฟิสิกส์พื้นฐาน คงจะน่าพอใจมากถ้าเรามีส่วนช่วยในเรื่องนั้น” Tom Stuttard ผู้ช่วยศาสตราจารย์ของ NBI กล่าว
Stuttard เป็นผู้ร่วมเขียนบทความที่ตีพิมพ์โดยวารสาร ฟิสิกส์ธรรมชาติ- บทความนี้นำเสนอผลลัพธ์จากการศึกษาขนาดใหญ่โดยทีมงาน NBI และเพื่อนร่วมงานชาวอเมริกัน มีการศึกษานิวตริโนมากกว่า 300,000 ตัว
อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่นิวทริโนประเภทที่น่าสนใจที่สุดที่กำเนิดจากแหล่งในห้วงอวกาศ นิวตริโนในการศึกษานี้ถูกสร้างขึ้นในชั้นบรรยากาศของโลก เนื่องจากอนุภาคพลังงานสูงจากอวกาศชนกับไนโตรเจนหรือโมเลกุลอื่นๆ
“การดูนิวทริโนที่เกิดจากชั้นบรรยากาศของโลกมีข้อได้เปรียบในทางปฏิบัติตรงที่นิวตริโนนั้นพบได้ทั่วไปมากกว่าพี่น้องที่มาจากนอกโลกมาก เราต้องการข้อมูลจากนิวทริโนจำนวนมากเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของวิธีการของเรา ขณะนี้ได้สำเร็จแล้ว ดังนั้นเราจึงพร้อมที่จะเข้าสู่ระยะต่อไปที่เราจะศึกษานิวตริโนจากห้วงอวกาศ” สตุ๊ตทาร์ดกล่าว
เดินทางโดยไม่ถูกรบกวนผ่านโลก
หอดูดาว IceCube Neutrino ตั้งอยู่ติดกับสถานีขั้วโลกใต้ Amundsen-Scott ในทวีปแอนตาร์กติกา ตรงกันข้ามกับสิ่งอำนวยความสะดวกทางดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์อื่นๆ ส่วนใหญ่ IceCube ทำงานได้ดีที่สุดในการสังเกตอวกาศที่ฝั่งตรงข้ามของโลก ซึ่งหมายถึงซีกโลกเหนือ เนื่องจากในขณะที่นิวตริโนสามารถเจาะทะลุดาวเคราะห์ของเราได้อย่างสมบูรณ์แบบ แม้กระทั่งแกนกลางที่ร้อนและหนาแน่นของมัน อนุภาคอื่นๆ จะหยุดลง และสัญญาณจึงสะอาดกว่ามากสำหรับนิวตริโนที่มาจากซีกโลกเหนือ
โรงงาน IceCube ดำเนินการโดยมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน สหรัฐอเมริกา นักวิทยาศาสตร์มากกว่า 300 คนจากประเทศต่างๆ ทั่วโลกมีส่วนร่วมในความร่วมมือกับ IceCube มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนเป็นหนึ่งในมหาวิทยาลัยมากกว่า 50 แห่งที่มีศูนย์ IceCube สำหรับการศึกษานิวตริโน
เนื่องจากนิวตริโนไม่มีประจุไฟฟ้าและเกือบจะไม่มีมวล มันจึงไม่ถูกรบกวนจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์ที่รุนแรง ทำให้มันเดินทางหลายพันล้านปีแสงผ่านจักรวาลในสภาพดั้งเดิม
คำถามสำคัญก็คือว่าจริงๆ แล้วคุณสมบัติของนิวตริโนนั้นไม่เปลี่ยนแปลงเลยในขณะที่มันเดินทางในระยะทางไกลๆ หรือไม่ หรือการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ เป็นสิ่งที่น่าสังเกตหรือไม่
“หากนิวตริโนเกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ที่เราสงสัย นี่จะเป็นหลักฐานชิ้นแรกที่ชัดเจนเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงควอนตัม” สตุ๊ตทาร์ดกล่าว
นิวตริโนมีสามรสชาติ
เพื่อให้เข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของนิวตริโนที่ทีมงานกำลังมองหา จึงต้องอาศัยข้อมูลพื้นฐานบางประการ แม้ว่าเราจะเรียกมันว่าเป็นอนุภาค แต่จริงๆ แล้วสิ่งที่เราสังเกตเห็นว่าเป็นนิวตริโนนั้นแท้จริงแล้วคืออนุภาคสามอนุภาคที่ผลิตขึ้นมาด้วยกัน ซึ่งในกลศาสตร์ควอนตัมเรียกว่าการซ้อนทับกัน
นิวตริโนสามารถมีรูปแบบพื้นฐานได้สามรูปแบบ—รสชาติตามที่นักฟิสิกส์เรียก—ซึ่งได้แก่ อิเล็กตรอน มิวออน และเทา โครงสร้างใดต่อไปนี้ที่เราสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงในขณะที่นิวตริโนเคลื่อนที่ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่แปลกประหลาดอย่างแท้จริงที่เรียกว่าการแกว่งของนิวตริโน พฤติกรรมควอนตัมนี้ถูกคงไว้เป็นระยะทางหลายพันกิโลเมตรขึ้นไป ซึ่งเรียกว่าการเชื่อมโยงกันของควอนตัม
“ในการทดลองส่วนใหญ่ ความสอดคล้องจะขาดหายไปในไม่ช้า แต่เชื่อว่าไม่น่าจะเกิดจากแรงโน้มถ่วงควอนตัม การสร้างสภาวะที่สมบูรณ์แบบในห้องปฏิบัติการเป็นเรื่องยากมาก คุณต้องการสุญญากาศที่สมบูรณ์แบบ แต่ก็มีโมเลกุลเพียงไม่กี่ตัวที่สามารถแอบเข้าไปได้
ในทางตรงกันข้าม นิวตริโนมีความพิเศษตรงที่พวกมันไม่ได้รับผลกระทบจากสสารที่อยู่รอบตัว ดังนั้นเราจึงรู้ว่าถ้าความสอดคล้องกันถูกทำลาย มันก็จะไม่เกิดจากข้อบกพร่องในการทดลองที่มนุษย์สร้างขึ้น” Stuttard อธิบาย
เพื่อนร่วมงานหลายคนสงสัย
ถามว่าผลการศึกษาตีพิมพ์ใน ฟิสิกส์ธรรมชาติ เป็นไปตามที่คาดไว้ ผู้วิจัยตอบว่า "เราพบว่าตัวเองอยู่ในโครงการวิทยาศาสตร์ประเภทที่หายาก กล่าวคือ การทดลองที่ไม่มีกรอบทางทฤษฎีที่กำหนดไว้ ดังนั้นเราจึงไม่รู้ว่าจะคาดหวังอะไร อย่างไรก็ตาม เรารู้ว่าเราสามารถค้นหาคุณสมบัติทั่วไปบางอย่างที่เราอาจคาดหวังว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมจะมีได้”
“แม้ว่าเราจะหวังว่าจะได้เห็นการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงควอนตัม แต่ความจริงที่ว่าเราไม่ได้เห็นการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นก็ไม่ได้ยกเว้นว่ามันเป็นเรื่องจริงเลย เมื่อตรวจพบนิวตริโนในบรรยากาศที่แอนตาร์กติก โดยทั่วไปแล้วนิวตริโนจะเดินทางผ่านโลก ความหมายประมาณ 12,700 กม. ซึ่งเป็นระยะทางที่สั้นมากเมื่อเทียบกับนิวตริโนที่กำเนิดในจักรวาลอันห่างไกล เห็นได้ชัดว่าแรงโน้มถ่วงควอนตัมจำเป็นต้องใช้ระยะทางที่นานกว่ามากในการสร้างผลกระทบ (ถ้ามี) สตุ๊ตตาร์ดกล่าว พร้อมเสริมว่าเป้าหมายสูงสุดของการศึกษานี้คือการกำหนดวิธีการดังกล่าว
“เป็นเวลาหลายปีที่นักฟิสิกส์หลายคนสงสัยว่าการทดลองจะมีความหวังที่จะทดสอบแรงโน้มถ่วงควอนตัมหรือไม่ การวิเคราะห์ของเราแสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้จริงๆ และด้วยการวัดในอนาคตด้วยนิวตริโนทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ รวมถึงเครื่องตรวจจับที่แม่นยำยิ่งขึ้นที่ถูกสร้างขึ้นในทศวรรษหน้า เราหวังว่าจะตอบคำถามพื้นฐานนี้ได้ในที่สุด”