Neutrinoer, atomure og et eksperiment til at opdage en tidsudvidelse

Forskere fra Griffith University udfører et eksperiment på ANSTO, der vil teste en revolutionær fysikteori om, at tidsvendende symmetribrud af neutrinoer kan forårsage en tidsudvidelse på kvanteskalaen.

Med støtte fra Det Nationale Måleinstitut (NMI), A/Prof Erik Streed havde brug for en kilde til anti-neutrinoer og nogle atomure for at udføre et foreløbigt eksperiment, der ville teste gyldigheden af ​​en ny kvanteteori om tid, der blev udviklet af hans Griffith University-kollega, professor Joan Vaccaro.

En kvanteteori om tid

Vaccaro er en dygtig teoretisk fysiker, der har udviklet en grundlæggende teori, der sætter tid og rum på samme fod.

Teorien foreslår, at den dynamik, vi observerer overalt som ændringer, der sker over tid, ikke er grundlæggende dele af naturen, men opstår fænomenologisk på grund af tidssymmetriskrænkelser.

Det er revolutionerende, for hvis det er korrekt, det vil vælte den måde, vi tænker på tid og rum på, såvel som grundlæggende love, såsom bevarelse af masse.

En kilde til neutrinoer for at teste teorien

Efter udgivelsen af ​​teorien i 2016, Vaccaro foreslog, at der kunne foretages et forsøg med en atomreaktor for at teste teorien.

En lokal kilde til tidsovertrædelse på kvanteskalaen kunne bidrage til nettomængden af ​​tidsovertrædelse og, derved, ændre dynamikken lokalt.

OPAL-reaktoren producerer en enorm strøm af anti-neutrinoer, der bevæger sig uskadt gennem stoffet, da de kun interagerer ekstremt svagt med det.

Beviset for, at neutrinoer udviser tidssymmetriskrænkelse, er vokset i de seneste år og ligger i øjeblikket på 99,7 % sikkerhed.

Eksperimentet vil teste teorien, fordi anti-neutrinoer produceret af reaktoren repræsenterer et tidsovertrædelsesfelt, der har et omvendt kvadratlovfald med afstand fra kernen.

Teorien forudsiger, at den tid, der akkumuleres af et ur, afhænger af mængden af ​​tidsovertrædelse i dets lokale område.

Et ur placeret nær reaktorkernen forventes at miste synkronicitet med det fjernere ur.

Det betyder, at et af testurene nær reaktoren, kan vise en vis tidsudvidelse, eller forskel i forløbet tid, sammenlignet med et ur et stykke væk.

"Min kollegas beregninger tyder på, at neutrinoer kan have en større indvirkning på tiden, end vi er klar over, " sagde Streed. "Det ville virkelig være meget overraskende, hvis neutrinoer interagerede med stof på grundlag af tid snarere end blot den svage kernekraft."

Forsøgsopstillingen

Efter en vellykket indsendelse af forslag til Australian Center for Neutron Scattering, efterforskerne rejste til ANSTO for at installere to tidsstationer med atomure i nærheden af ​​reaktoren, hvor de vil indsamle data i seks måneder.

Atomure bruges i test af fundamental fysik til at detektere små effekter på kvanteskalaen på grund af deres enestående nøjagtighed og præcision, som nærmer sig dele i 10 ¹⁷ - til 10 ¹⁹ for de bedste ure.

Dr. Michael Wouters, der leder standarder for tid og frekvens ved National Measurement Institute i Sydney, samarbejder om eksperimentet.

NMI leverede atomurene og udviklede de målesystemer, der er essentielle for eksperimentet.

I dette indledende eksperiment, kommercielt tilgængelige højpræcisionsure bliver brugt. Ure med meget bedre ydeevne ville blive brugt i en forbedret version af eksperimentet.

En tidsstation er placeret cirka fem meter fra reaktoren, mens referencestationen er 10 meter fra reaktoren.

Hver station består af et primært cæsiumur, tre sekundære ure og de målesystemer, der bruges til at sammenligne urene med mindre end en milliardtedel af et sekund.

Det var vigtigt for urene at blive udsat for neutrinoer i et miljø under nøjagtig de samme fysiske forhold, fordi de ikke er fuldstændig immune over for ændringer, såsom den omgivende temperatur.

Cæsiumurene er indeholdt i ganske almindeligt udseende beige kasser, beskyttet af en stang, der fungerer som en barriere mod, at nogen banker ind i den.

Wouters forklarede, at eksperimentet ikke involverer enkelte målinger, men et gennemsnit for en optimal tid for hver bestemt type ur for at få den bedst mulige måling.

At reaktoren lukkes ned for vedligeholdelse periodisk giver en fordel, i det, det giver en forudsigelig kontrol for forsøget, når de to sæt ure skal køre med samme hastighed.

Dette ville være en mere overbevisende eksperimentel demonstration af den foreslåede tidsudvidelseseffekt.

Ethvert resultat eller grænse fra reaktoreksperimentet vil blive sammenlignet med beregninger fra usikkerheder i den observerede bevægelse af planeter og andre objekter, der kredser om solen, som forventes at blive påvirket på samme måde af solens neutrinoflux.

"Uanset resultatet, en del af eksperimentet handler om at få erfaring i det miljø, vi skal arbejde i, som ikke er et kontrolleret miljø som vores laboratorier, sagde Wouters.

"Driftsforholdene vil hjælpe os med at identificere og karakterisere potentielt relevante fejlkilder fra en række miljøforhold, hjælper os med at designe en forbedret version af eksperimentet, " han tilføjede.

Mål for succes

Stred sagde, at hvis eksperimentet lykkes, det vil give et 'tal' for, hvor stor kvanteeffekten på tid er.

"Og hvis effekten opstår på reaktorniveau, vi ville være nødt til at validere det ved andre atomreaktorer og så se efter effekten andre steder, som planetariske orbitaldata, " han sagde.

"Fra et videnskabeligt perspektiv, det er utrolig høj risiko på grund af det ukendte, " siger Stred.

Men det er klart en risiko, som Stred og Vaccaro er villige til at tage på grund af dens betydningsfulde betydning, hvis de eksperimentelle beviser understøtter teorien.

Under alle omstændigheder, det vil tiden vise.