Forskare från Griffith University genomför ett experiment vid ANSTO som kommer att testa en revolutionerande fysikteori om att tidsomkastande symmetribrytning av neutrinos kan orsaka en tidsutvidgning på kvantskalan.

Med stöd från National Measurement Institute (NMI), A/Prof Erik Streed behövde en källa till anti-neutriner och några atomur för att utföra ett preliminärt experiment som skulle testa giltigheten av en ny kvantteori om tid som utvecklas av hans kollega vid Griffith University, professor Joan Vaccaro.

En kvantteori om tid

Vaccaro är en skicklig teoretisk fysiker, som har utvecklat en grundläggande teori som sätter tid och rum på samma fot.

Teorin föreslår att den dynamik vi observerar överallt när förändringar sker över tid inte är grundläggande delar av naturen utan uppstår fenomenologiskt på grund av tidssymmetriskränkningar.

Det är revolutionerande för om det är korrekt, det kommer att störta hur vi tänker om tid och rum, såväl som grundläggande lagar, såsom bevarande av massa.

En källa till neutriner för att testa teorin

Efter publiceringen av teorin 2016, Vaccaro föreslog att ett experiment skulle kunna genomföras med en kärnreaktor för att testa teorin.

En lokal källa till tidsöverträdelse på kvantskala kan bidra till nettomängden tidsöverträdelse och, vari, ändra dynamiken lokalt.

OPAL-reaktorn producerar en stor ström av anti-neutrinos som rör sig oskadda genom materia eftersom de endast interagerar extremt svagt med den.

Bevisen för att neutriner uppvisar tidssymmetriöverträdelser har ökat under de senaste åren och ligger för närvarande på 99,7 % säkerhet.

Experimentet kommer att testa teorin eftersom anti-neutrinos som produceras av reaktorn representerar ett tidsöverträdelsefält som har en omvänd kvadratisk lagnedgång med avståndet från kärnan.

Teorin förutspår att tiden som ackumuleras av en klocka beror på mängden tidsöverträdelse i dess lokala region.

En klocka placerad nära reaktorhärden förutsägs förlora synkronicitet med den mer avlägsna klockan.

Detta betyder att en av testklockorna nära reaktorn, kan visa en viss tidsutvidgning, eller skillnad i förfluten tid, jämfört med en klocka en bit bort.

"Min kollegas beräkningar tyder på att neutriner kan ha en större inverkan på tiden än vi inser, " sade Streed. "Det skulle verkligen vara mycket förvånande om neutriner interagerar med materia på grundval av tid snarare än bara den svaga kärnkraften."

Experimentupplägget

Efter ett framgångsrikt förslag till Australian Center for Neutron Scattering, utredarna reste till ANSTO för att installera två tidtagningsstationer med atomur i närheten av reaktorn, där de kommer att samla in data i sex månader.

Atomklockor används i tester av fundamental fysik för att upptäcka små effekter på kvantskala på grund av deras enastående noggrannhet och precision, som närmar sig delar i 10 ¹⁷ -till 10 ¹⁹ för de bästa klockorna.

Dr Michael Wouters, som leder standarder för tid och frekvens vid National Measurement Institute i Sydney, samarbetar i experimentet.

NMI tillhandahöll atomklockorna och utvecklade de mätsystem som är nödvändiga för experimentet.

I detta första experiment, kommersiellt tillgängliga högprecisionsklockor används. Klockor med mycket bättre prestanda skulle användas i en förbättrad version av experimentet.

En tidtagningsstation är placerad cirka fem meter från reaktorn, medan referensstationen ligger 10 meter från reaktorn.

Varje station består av en primär cesiumklocka, tre sekundära klockor och de mätsystem som används för att jämföra klockorna med mindre än en miljarddels sekund.

Det var viktigt för klockorna att utsättas för neutriner i en miljö under exakt samma fysiska förhållanden eftersom de inte är helt immuna mot förändringar, såsom den omgivande temperaturen.

Cesiumklockorna finns i ganska vanligt utseende beige lådor skyddade av en stång som fungerar som en barriär mot att någon slår in i den.

Wouters förklarade att experimentet inte involverar enstaka mätningar utan ett genomsnitt för en optimal tid för varje viss typ av klocka för att få bästa möjliga mätning.

Det faktum att reaktorn stängs av för underhåll periodvis ger en fördel, i det, det ger en förutsägbar kontroll för experimentet, när de två uppsättningarna av klockor ska gå i samma takt.

Detta skulle vara en mer övertygande experimentell demonstration av den föreslagna tidsdilatationseffekten.

Alla resultat eller gränser från reaktorexperimentet kommer att jämföras med beräkningar från osäkerheter i den observerade rörelsen hos planeter och andra objekt som kretsar runt solen, som förutspås påverkas på liknande sätt av solneutrinoflödet.

"Oavsett resultatet, en del av experimentet handlar om att få erfarenhet av den miljö vi måste arbeta i, som inte är en kontrollerad miljö som våra labb, sa Wouters.

"Driftsförhållandena kommer att hjälpa oss att identifiera och karakterisera potentiellt relevanta felkällor från en rad miljöförhållanden, hjälper oss att designa en förbättrad version av experimentet, " han lade till.

Måttet på framgång

Stred sa att om experimentet lyckas, det kommer att ge ett "tal" för hur stor kvanteffekten på tid är.

"Och om effekten uppstår på reaktornivå, vi skulle behöva validera det vid andra kärnreaktorer och sedan leta efter effekten på andra ställen, som planetarisk omloppsdata, " han sa.

"Ur ett vetenskapligt perspektiv, det är otroligt hög risk på grund av det okända, säger Stred.

Men det är helt klart en risk som Stred och Vaccaro är villiga att ta på grund av dess betydelsefulla betydelse om de experimentella bevisen stöder teorin.

Hur som helst, tiden får avgöra.