Podmorski teleskop testirao Ajnštajnovu relativnost i nije pronašao odstupanje

Teleskop za detekciju čestica, spušten oko 2,4 kilometra ispod površine Sredozemnog mora kod Toulona, iskorišten je za provjeru jednog od temeljnih načela Ajnštajnove teorije relativnosti — i nije zabilježeno nikakvo odstupanje. Riječ je o detektoru ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), koji hvata neuhvatljive čestice neutrine. Rezultati istraživanja objavljeni su 4. novembra u časopisu Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Test Lorentzove invarijantnosti

Ispitivano načelo poznato je kao Lorentzova invarijantnost — pretpostavka da su zakoni prirode isti bez obzira na to u kojem se smjeru posmatrač nalazi ili kojom se brzinom kreće. Suvremena se fizika oslanja na dvije uspješne teorije: opštu relativnost, koja svemir opisuje na kosmičkoj skali, i Standardni model fizike subatomskih čestica. Obje pretpostavljaju da je Lorentzova invarijantnost istinita, objasnio je suautor studije Lukas Hennig, doktorski student fizike na univerzitetu Erlangen-Nürnberg.

Međutim, u ekstremnim uslovima, poput prvih trenutaka nakon Velikog praska, te se dvije teorije ne slažu, što decenijama pokreće potragu za teorijom kvantne gravitacije koja bi ih objedinila. Neki kandidati, uključujući verzije teorije struna i kvantne gravitacije petlje, sugeriraju da prostor-vrijeme možda ima skrivena "zrna" na najmanjim skalama te da bi i Lorentzova invarijantnost, kako je rekao Hennig, mogla biti narušena.

Neutrini kao sonde kroz Zemlju

Budući da bi takvo narušavanje bilo izuzetno malo, fizičarima je bio potreban senzor koji putuje velikim udaljenostima i jedva interaguje s okolinom. Tu na scenu stupaju neutrini — gotovo bezmasene čestice bez naelektrisanja koje svake sekunde prolaze kroz Zemlju i postoje u tri vrste: elektronski, mionski i tau. Tokom puta neutrini se na predvidiv način pretvaraju iz jedne vrste u drugu, što fizičari nazivaju oscilacijom neutrina. Da je Lorentzova invarijantnost narušena, taj bi se obrazac promijenio, a efekat bi bio izraženiji što je neutrino duže putovao.

Tim je stoga posmatrao neutrine nastale kada kosmički zraci udare u atmosferu na drugoj strani planete, a zatim putuju kroz Zemlju prema detektoru. Neki od analiziranih neutrina prešli su cijelu širinu Zemlje, oko 12.700 kilometara. Zemlja pritom služi kao filter: istraživači su odabrali samo čestice koje putuju prema gore kroz planetu i tako eliminisali poplavu drugih čestica iz atmosfere. "Kroz Zemlju mogu proći samo neutrini", naveo je Hennig.

ORCA je dio teleskopa za neutrino KM3NeT. Svaka detekcijska jedinica sidri se na morsko dno i nosi 18 staklenih sfera, a svaka sfera sadrži 31 svjetlosni senzor. Kada neutrino udari u česticu u vodi, nastaje slabi plavi bljesak koji senzori hvataju. Brojni senzori u svakoj sferi pomažu timu da odredi iz kojeg smjera svjetlost dolazi, objasnila je Alba Domi, koja je kao doktorska studentica jednim od dva čamca koja su pomagala u izgradnji teleskopa spuštala njegove prve detekcijske jedinice na morsko dno.

Postavka se razlikuje od detektora IceCube, smještenog u antarktičkom ledu. "Led raspršuje svjetlost više od vode, ali s druge strane voda apsorbira svjetlost više od leda", rekla je Domi, što mijenja način na koji svaki tim rekonstruiše energiju i putanju neutrina.

Fizika stoji čvrsto

Istraživači su analizirali 5.828 neutrina prikupljenih tokom oko 17 mjeseci, između 2020. i 2021. godine. Oscilacije su se poklopile sa standardnom fizikom, što znači da — ako narušavanje Lorentzove invarijantnosti postoji — ono mora biti slabije od granica koje je tim postavio. Te su granice važne za teoretičare: ako neki model predviđa narušavanje jače od novih ograničenja, "podaci ga isključuju. U tom slučaju možete biti prilično sigurni da taj model nije ispravan", objasnio je Hennig.

Tim je postavio i prve direktne granice za vrstu narušavanja koja bi mionske i tau neutrine tretirala različito. Granice detektora po nekoliko ključnih mjera, iako je u trenutku istraživanja bio tek djelimično izgrađen u odnosu na planiranu veličinu, konkurentne su onima japanskog Super-Kamiokandea, zasnovanim na 12 godina podataka, te detektora IceCube, zasnovanim na dvije godine podataka s njegovog potpunog niza.

"Iznenađen sam da imamo konkurentne rezultate sa samo šest detekcijskih jedinica", priznao je Hennig. Danas je u vodi 44 jedinice, a saradnja planira aktivirati 108 do 2030. godine.

Najbolji testovi možda tek slijede. Budući da efekti narušavanja Lorentzove invarijantnosti rastu s udaljenošću i energijom, neutrini s udaljenih kosmičkih izvora "su zapravo najbolji kandidati za ovakva istraživanja", rekla je Domi. Tim planira ponoviti pretragu pomoću detektora ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), sestrinskog detektora ORCA-e smještenog kod obale Sicilije, koji je dizajniran upravo za hvatanje visokoenergetskih kosmičkih putnika. Ako prostor-vrijeme doista ima "zrno", te bi čestice mogle biti među prvima koje će ga osjetiti.