Forskere på jagt efter beviser for kvantetyngdekraft på Sydpolen

Flere tusinde sensorer fordelt over en kvadratkilometer nær Sydpolen har til opgave at besvare et af de store udestående spørgsmål inden for fysik:eksisterer kvantetyngdekraften? Sensorerne overvåger neutrinoer - partikler uden elektrisk ladning og næsten uden masse - der ankommer til Jorden fra det ydre rum. Et hold fra Niels Bohr Institutet (NBI), Københavns Universitet, har bidraget til at udvikle metoden, der udnytter neutrinodata til at afsløre, om kvantetyngdekraften eksisterer.

"Hvis kvantetyngdekraften, som vi tror, ​​faktisk eksisterer, vil dette bidrage til at forene de nuværende to verdener inden for fysik. I dag beskriver klassisk fysik fænomenerne i vores normale omgivelser såsom tyngdekraften, mens atomverdenen kun kan beskrives ved hjælp af kvantemekanik. .

"Sammenligningen af ​​kvanteteori og gravitation er stadig en af ​​de mest fremragende udfordringer inden for fundamental fysik. Det ville være meget tilfredsstillende, hvis vi kunne bidrage til det," siger Tom Stuttard, adjunkt ved NBI.

Stuttard er medforfatter til en artikel udgivet af tidsskriftet Nature Physics . Artiklen præsenterer resultater fra en stor undersøgelse foretaget af NBI-teamet og amerikanske kolleger. Mere end 300.000 neutrinoer er blevet undersøgt.

Det er dog ikke neutrinoer af den mest interessante type, der stammer fra kilder i det dybe rum. Neutrinoerne i denne undersøgelse blev skabt i Jordens atmosfære, da højenergipartikler fra rummet kolliderede med nitrogen eller andre molekyler.

"At se på neutrinoer, der stammer fra Jordens atmosfære, har den praktiske fordel, at de er langt mere almindelige end deres søskende fra det ydre rum. Vi havde brug for data fra mange neutrinoer for at validere vores metodik. Dette er blevet opnået nu. Således er vi klar til at gå ind i den næste fase, hvor vi vil studere neutrinoer fra det dybe rum," siger Stuttard.

Rejs uforstyrret gennem Jorden

IceCube Neutrino Observatory er beliggende ved siden af ​​Amundsen-Scott South Pole Station i Antarktis. I modsætning til de fleste andre astronomi- og astrofysiske faciliteter fungerer IceCube bedst til at observere rummet på den modsatte side af Jorden, altså den nordlige halvkugle. Dette skyldes, at mens neutrinoen er perfekt i stand til at trænge igennem vores planet – og endda dens varme, tætte kerne – vil andre partikler blive stoppet, og signalet er således meget renere for neutrinoer, der kommer fra den nordlige halvkugle.

IceCube-anlægget drives af University of Wisconsin-Madison, USA. Mere end 300 videnskabsmænd fra lande rundt om i verden var engageret i IceCube-samarbejdet. Københavns Universitet er et af mere end 50 universiteter med et IceCube-center for neutrinostudier.

Da neutrinoen ikke har nogen elektrisk ladning og er næsten masseløs, er den uforstyrret af elektromagnetiske og stærke kernekræfter, hvilket tillader den at rejse milliarder af lysår gennem universet i sin oprindelige tilstand.

Nøglespørgsmålet er, om neutrinoens egenskaber i virkeligheden er fuldstændig uændrede, når den rejser over store afstande, eller om små ændringer trods alt er bemærkelsesværdige.

"Hvis neutrinoen gennemgår de subtile ændringer, som vi har mistanke om, ville dette være det første stærke bevis på kvantetyngdekraften," siger Stuttard.

Neutrinoen kommer i tre varianter

For at forstå, hvilke ændringer i neutrinoegenskaber holdet leder efter, er der brug for nogle baggrundsoplysninger. Mens vi omtaler det som en partikel, er det, vi observerer som en neutrino, i virkeligheden tre partikler, der er produceret sammen, kendt i kvantemekanikken som superposition.

Neutrinoen kan have tre grundlæggende konfigurationer - smag, som de kaldes af fysikerne - som er elektron, muon og tau. Hvilken af ​​disse konfigurationer vi observerer ændrer sig, mens neutrinoen rejser, et virkelig mærkeligt fænomen kendt som neutrinoscillationer. Denne kvanteadfærd opretholdes over tusindvis af kilometer eller mere, hvilket omtales som kvantekohærens.

"I de fleste eksperimenter bliver sammenhængen hurtigt brudt. Men det antages ikke at være forårsaget af kvantetyngdekraften. Det er bare meget svært at skabe perfekte forhold i et laboratorium. Man vil have perfekt vakuum, men på en eller anden måde formår et par molekyler at snige sig ind. osv.

"Derimod er neutrinoer specielle ved, at de simpelthen ikke påvirkes af stof omkring dem, så vi ved, at hvis sammenhængen brydes, vil det ikke være på grund af mangler i den menneskeskabte eksperimentelle opsætning," forklarer Stuttard.

Mange kolleger var skeptiske

Adspurgt om resultaterne af undersøgelsen offentliggjort i Nature Physics var som forventet, svarer forskeren, "Vi befinder os i en sjælden kategori af videnskabelige projekter, nemlig eksperimenter, som der ikke eksisterer nogen etableret teoretisk ramme for. Derfor vidste vi bare ikke, hvad vi kunne forvente. Vi vidste dog, at vi kunne søge efter nogle af de generelle egenskaber, vi kunne forvente, at en kvanteteori om tyngdekraft har."

"Selvom vi havde forhåbninger om at se ændringer relateret til kvantetyngdekraften, udelukker det faktum, at vi ikke så dem, slet ikke, at de er ægte. Når en atmosfærisk neutrino opdages ved antarktiske anlæg, vil den typisk have rejst igennem Jorden, hvilket betyder cirka 12.700 km - en meget kort afstand sammenlignet med neutrinoer, der stammer fra det fjerne univers. Tilsyneladende er der behov for en meget længere afstand for at kvantetyngdekraften kan påvirke, hvis den eksisterer," siger Stuttard og bemærker, at det øverste mål. af undersøgelsen var at etablere metoden.

"I årevis var mange fysikere i tvivl om, hvorvidt eksperimenter nogensinde kunne håbe på at teste kvantetyngdekraften. Vores analyse viser, at det faktisk er muligt, og med fremtidige målinger med astrofysiske neutrinoer, samt mere præcise detektorer, der bliver bygget i det kommende årti, håber vi at Besvar endelig dette grundlæggende spørgsmål."

Flere oplysninger: Søg efter dekohærens fra kvantetyngdekraften med atmosfæriske neutrinoer, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02436-w

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Københavns Universitet