[ad_1]
Zespół Uniwersytetu Kopenhaskiego bierze udział w zakrojonym na szeroką skalę eksperymencie na Antarktydzie, którego celem jest sprawdzenie, czy grawitacja istnieje również na poziomie kwantowym. Niezwykła cząstka zdolna do niezakłóconego przemieszczania się w przestrzeni wydaje się zawierać odpowiedź na to pytanie.
Kilka tysięcy czujników rozmieszczonych na powierzchni kilometra kwadratowego w pobliżu bieguna południowego ma za zadanie odpowiedzieć na jedno z największych nierozwiązanych pytań w fizyce: czy istnieje grawitacja kwantowa? Czujniki monitorują neutrina – cząstki bez ładunku elektrycznego i prawie bez masy – docierające do Ziemi z kosmosu. Zespół z Instytutu Nielsa Bohra (NBI) na Uniwersytecie w Kopenhadze przyczynił się do opracowania metody, która wykorzystuje dane neutrinowe do ujawnienia, czy istnieje grawitacja kwantowa.
„Jeśli, jak wierzymy, grawitacja kwantowa rzeczywiście istnieje, przyczyni się to do zjednoczenia obecnych dwóch światów fizyki. Obecnie fizyka klasyczna opisuje zjawiska w naszym normalnym otoczeniu, takie jak grawitacja, podczas gdy świat atomowy można opisać jedynie za pomocą mechaniki kwantowej. Unifikacja teorii kwantowej i grawitacji pozostaje jednym z największych wyzwań w fizyce fundamentalnej. Byłoby bardzo satysfakcjonujące, gdybyśmy mogli się do tego przyczynić” – mówi Tom Stuttard, adiunkt w NBI.
Tom Stuttard jest współautorem artykułu naukowego opublikowanego niedawno w czasopiśmie Nature Physics. Artykuł przedstawia wyniki dużego badania przeprowadzonego przez zespół NBI i amerykańskich kolegów. Przebadano ponad 300 000 neutrin. Nie są to jednak neutrina najbardziej interesującego typu, pochodzące ze źródeł w głębokim kosmosie. Neutrina w tym badaniu powstały w ziemskiej atmosferze, gdy wysokoenergetyczne cząstki z kosmosu zderzyły się z azotem lub innymi cząsteczkami.
„Przyglądanie się neutrinom pochodzącym z ziemskiej atmosfery ma tę praktyczną zaletę, że są one znacznie bardziej powszechne niż ich rodzeństwo z kosmosu. Potrzebowaliśmy danych z wielu neutrin, aby zweryfikować naszą metodologię. Zostało to już osiągnięte. W ten sposób jesteśmy gotowi do wejścia w kolejną fazę, w której będziemy badać neutrina z głębokiego kosmosu” – mówi Tom Stuttard.
Niezakłócona podróż przez Ziemię
Obserwatorium neutrin IceCube znajduje się obok Stacji Bieguna Południowego Amundsena-Scotta na Antarktydzie. W przeciwieństwie do większości innych obiektów astronomicznych i astrofizycznych, IceCube działa najlepiej do obserwacji przestrzeni po przeciwnej stronie Ziemi, czyli na półkuli północnej. Dzieje się tak dlatego, że podczas gdy neutrino jest w stanie doskonale przeniknąć przez naszą planetę – a nawet jej gorące, gęste jądro – inne cząstki zostaną zatrzymane, a sygnał jest znacznie czystszy w przypadku neutrin pochodzących z półkuli północnej.
Ośrodek IceCube jest obsługiwany przez Uniwersytet Wisconsin-Madison w USA. We współpracę w ramach IceCube zaangażowanych jest ponad 300 naukowców z całego świata. Uniwersytet Kopenhaski jest jednym z ponad 50 uniwersytetów posiadających centrum IceCube do badań neutrin.
Ponieważ neutrino nie ma ładunku elektrycznego i jest prawie bezmasowe, nie jest zakłócane przez siły elektromagnetyczne i silne siły jądrowe, co pozwala mu podróżować miliardy lat świetlnych przez Wszechświat w swoim pierwotnym stanie.
Kluczowym pytaniem jest, czy właściwości neutrina są w rzeczywistości całkowicie niezmienione podczas jego podróży na duże odległości, czy też niewielkie zmiany są w ogóle zauważalne.
„Jeśli neutrino ulega subtelnym zmianom, które podejrzewamy, byłby to pierwszy mocny dowód na istnienie grawitacji kwantowej” – mówi Tom Stuttard.
Neutrina występują w trzech odmianach
Aby zrozumieć, jakich zmian we właściwościach neutrin poszukuje zespół, potrzebne są pewne informacje ogólne. Choć nazywamy je cząstką, to, co obserwujemy jako neutrino, jest tak naprawdę trzema cząstkami wytworzonymi razem, znanymi w mechanice kwantowej jako superpozycja. Neutrino może mieć trzy podstawowe konfiguracje – smaki, jak nazywają je fizycy – są to elektron, mion i taon. To, którą z tych konfiguracji obserwujemy, zmienia się, gdy neutrino podróżuje, co jest naprawdę dziwnym zjawiskiem znanym jako oscylacje neutrin. To kwantowe zachowanie utrzymuje się przez tysiące kilometrów lub więcej, co określa się mianem koherencji kwantowej.
„W większości eksperymentów spójność jest wkrótce przerywana. Nie uważa się jednak, że jest to spowodowane grawitacją kwantową. Po prostu bardzo trudno jest stworzyć idealne warunki w laboratorium. Chcesz idealnej próżni, ale w jakiś sposób kilka cząsteczek udaje się wkraść itp. W przeciwieństwie do tego, neutrina są wyjątkowe, ponieważ materia wokół nich po prostu nie ma na nie wpływu, więc wiemy, że jeśli spójność zostanie zerwana, nie będzie to spowodowane niedociągnięciami w układzie eksperymentalnym stworzonym przez człowieka” – wyjaśnia Tom Stuttard.
Wielu kolegów było sceptycznych
Zapytani, czy wyniki badania opublikowane w Nature Physics były zgodne z oczekiwaniami, odpowiada badacz:
„Znaleźliśmy się w rzadkiej kategorii projektów naukowych, a mianowicie eksperymentów, dla których nie istnieją ustalone ramy teoretyczne. Dlatego po prostu nie wiedzieliśmy, czego się spodziewać. Wiedzieliśmy jednak, że możemy poszukiwać pewnych ogólnych właściwości, których moglibyśmy oczekiwać od kwantowej teorii grawitacji”.
„Chociaż mieliśmy nadzieję na zaobserwowanie zmian związanych z grawitacją kwantową, fakt, że ich nie zaobserwowaliśmy, wcale nie wyklucza, że są one prawdziwe. Kiedy neutrino atmosferyczne jest wykrywane w ośrodku na Antarktydzie, zwykle podróżuje przez Ziemię. Oznacza to około 12 700 km – bardzo krótki dystans w porównaniu z neutrinami pochodzącymi z odległego Wszechświata. Najwyraźniej potrzebna jest znacznie większa odległość, aby grawitacja kwantowa wywarła wpływ, jeśli istnieje” – mówi Tom Stuttard, zauważając, że głównym celem badania było ustalenie metodologii:
„Przez lata wielu fizyków wątpiło, czy eksperymenty mogą kiedykolwiek mieć nadzieję na przetestowanie grawitacji kwantowej. Nasza analiza pokazuje, że jest to rzeczywiście możliwe, a dzięki przyszłym pomiarom astrofizycznych neutrin, a także bardziej precyzyjnym detektorom budowanym w nadchodzącej dekadzie, mamy nadzieję w końcu odpowiedzieć na to fundamentalne pytanie”.
[ad_2]