Flera tusen sensorer fördelade över en kvadratkilometer nära Sydpolen har i uppdrag att svara på en av de stora oupplösta frågorna inom fysiken:existerar kvantgravitation? Sensorerna övervakar neutriner – partiklar utan elektrisk laddning och nästan utan massa – som anländer till jorden från yttre rymden. Ett team från Niels Bohr Institute (NBI), Köpenhamns universitet, har bidragit till att utveckla metoden som utnyttjar neutrinodata för att avslöja om kvantgravitation existerar.
"Om som vi tror, kvantgravitation verkligen existerar, kommer detta att bidra till att förena de nuvarande två världarna inom fysiken. Idag beskriver klassisk fysik fenomenen i vår normala omgivning som gravitation, medan atomvärlden bara kan beskrivas med hjälp av kvantmekanik .
"Förenandet av kvantteori och gravitation är fortfarande en av de mest framstående utmaningarna inom fundamental fysik. Det skulle vara mycket tillfredsställande om vi kunde bidra till detta", säger Tom Stuttard, biträdande professor vid NBI.
Stuttard är medförfattare till en artikel publicerad av tidskriften Nature Physics . Artikeln presenterar resultat från en stor studie av NBI-teamet och amerikanska kollegor. Mer än 300 000 neutriner har studerats.
Dessa är dock inte neutrinos av den mest intressanta typen som kommer från källor i rymden. Neutrinonerna i denna studie skapades i jordens atmosfär, när högenergipartiklar från rymden kolliderade med kväve eller andra molekyler.
"Att titta på neutriner som härrör från jordens atmosfär har den praktiska fördelen att de är mycket vanligare än sina syskon från yttre rymden. Vi behövde data från många neutriner för att validera vår metod. Detta har åstadkommits nu. Därför är vi redo att gå in i nästa fas där vi kommer att studera neutriner från rymden”, säger Stuttard.
IceCube Neutrino Observatory ligger bredvid Amundsen-Scotts sydpolstation i Antarktis. Till skillnad från de flesta andra astronomi- och astrofysikanläggningar fungerar IceCube bäst för att observera rymden på motsatta sidan av jorden, alltså norra halvklotet. Detta beror på att medan neutrinon är perfekt kapabel att penetrera vår planet – och till och med dess heta, täta kärna – kommer andra partiklar att stoppas, och signalen är därmed mycket renare för neutriner som kommer från norra halvklotet.
IceCube-anläggningen drivs av University of Wisconsin-Madison, USA. Mer än 300 forskare från länder runt om i världen var engagerade i IceCube-samarbetet. Köpenhamns universitet är ett av mer än 50 universitet med ett IceCube-center för neutrinostudier.
Eftersom neutrinon inte har någon elektrisk laddning och är nästan masslös, är den ostörd av elektromagnetiska och starka kärnkrafter, vilket gör att den kan färdas miljarder ljusår genom universum i sitt ursprungliga tillstånd.
Nyckelfrågan är om neutrinons egenskaper faktiskt är helt oförändrade när den färdas över stora avstånd eller om små förändringar trots allt är anmärkningsvärda.
"Om neutrinon genomgår de subtila förändringarna som vi misstänker, skulle detta vara det första starka beviset på kvantgravitation", säger Stuttard.
För att förstå vilka förändringar i neutrinoegenskaper teamet letar efter, behövs lite bakgrundsinformation. Även om vi hänvisar till det som en partikel, är det vi observerar som en neutrino egentligen tre partiklar som produceras tillsammans, kända inom kvantmekaniken som superposition.
Neutrinon kan ha tre grundläggande konfigurationer - smaker som de kallas av fysikerna - som är elektron, muon och tau. Vilken av dessa konfigurationer vi observerar förändras när neutrinon färdas, ett verkligt märkligt fenomen som kallas neutrinoscillationer. Detta kvantbeteende bibehålls över tusentals kilometer eller mer, vilket kallas kvantkoherens.
"I de flesta experiment bryts koherensen snart. Men detta tros inte vara orsakat av kvantgravitationen. Det är bara väldigt svårt att skapa perfekta förhållanden i ett labb. Man vill ha perfekt vakuum, men på något sätt lyckas några molekyler smyga sig in etc.
"Däremot är neutriner speciella genom att de helt enkelt inte påverkas av materia runt dem, så vi vet att om koherensen bryts kommer det inte att bero på brister i den konstgjorda experimentuppställningen", förklarar Stuttard.
Frågade om resultaten av studien publicerade i Nature Physics var som förväntat, svarar forskaren, "Vi befinner oss i en sällsynt kategori av vetenskapsprojekt, nämligen experiment för vilka det inte finns någon etablerad teoretisk ram. Därför visste vi helt enkelt inte vad vi kunde förvänta oss. Men vi visste att vi kunde söka efter några av de allmänna egenskaper vi kan förvänta oss att en kvantteori om gravitation har."
"Medan vi hade förhoppningar om att se förändringar relaterade till kvantgravitationen, utesluter inte det faktum att vi inte såg dem att de är verkliga. När en atmosfärisk neutrino upptäcks vid den antarktiska anläggningen, kommer den vanligtvis att ha rest genom Jorden, vilket betyder ungefär 12 700 km – en mycket kort sträcka jämfört med neutriner som har sitt ursprung i det avlägsna universum. av studien var att fastställa metodiken.
"I åratal tvivlade många fysiker på om experiment någonsin skulle kunna hoppas på att testa kvantgravitationen. Vår analys visar att det verkligen är möjligt, och med framtida mätningar med astrofysiska neutriner, såväl som mer exakta detektorer som byggs under det kommande decenniet, hoppas vi kunna svara äntligen på denna grundläggande fråga."
Mer information: Sök efter dekoherens från kvantgravitationen med atmosfäriska neutriner, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02436-w
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Köpenhamns universitet
