Obok bieguna południowego naukowcy szukają odpowiedzi na pytania o kwantową grawitację

W „Nature Physics” ukazała się publikacja prezentująca wyniki dużego badania prowadzonego przez Instytut Nielsa Bohra na Uniwersytecie Kopenhaskim oraz przez naukowców z USA. Zbadano ponad 300 tysięcy neutrin.

Czujniki w IceCube Neutrino Observatory w pobliżu stacji polarnej Amundsena-Scotta na Antarktydzie monitorują neutrina. To cząstki, które są pozbawione ładunku elektrycznego i prawie nie mają masy. Neutrina docierają do nas z kosmosu, ale są na tyle przenikliwe, że mogą przelecieć przez naszą planetę bez oddziaływania z jakimkolwiek jej elementem. Tak naprawdę detektor próbuje wykryć neutrina przychodzące z przeciwnego końca Ziemi. W ten sposób można odfiltrować wszelkie inne cząstki, które zostaną zatrzymane po drodze przez naszą planetę.

Jednak neutrina, które zbadano w opisywanej pracy, powstały w ziemskiej atmosferze, gdy wysokoenergetyczne cząstki z kosmosu zderzały się z azotem i innymi cząsteczkami w atmosferze naszej planety.

Jak wskazują badacze, skupienie się na neutrinach pochodzących z ziemskiej atmosfery, ma praktyczną zaletę – są one dużo liczniejsze niż te z kosmosu. A do sprawdzenia swojej metodologii badacze potrzebowali wielu danych. Teraz, gdy to zrobili, będą mogli skupić się na badaniach neutrin z kosmosu.

Tom Stuttard z Uniwersytetu Kopenhaskiego wskazuje, że naukowcy będą sprawdzać, czy neutrina przy pokonywaniu olbrzymich odległości faktycznie pozostają niezmienione. Gdyby okazało się, że zachodzą w nich nawet drobne zmiany, byłby to mocny dowód na istnienie kwantowej grawitacji.

W wynikach opublikowanych dla neutrin z atmosfery ziemskiej nie wykryto takich zmian. Jednak Stuttarda i jego współpracowników to nie zniechęca. Mówią, że 12 700 km do pokonania przez neutrino z drugiego końca Ziemi to mały dystans w porównaniu z tym, jaki pokonują neutrina w kosmosie. Spodziewają się, że jeśli grawitacja kwantowa istnieje, to jej efekty będą widoczne dopiero dla dużych dystansów pokonanych przez neutrina.

Neutrina występują w trzech rodzajach, zwanych zapachami: neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino taonowe. To którą z wersji zaobserwujemy, zmienia się w trakcie podróży neutrina. To dziwne zjawisko zwane jest oscylacją neutrin i zostało zaproponowane m.in. dla wyjaśnienia zbyt małej ilości neutrin ze Słońca obserwowanych na Ziemi, a w 2015 roku przyznano Nagrodę Nobla za pionierskie obserwacje tych oscylacji.

Takie kwantowe zachowanie neutrin utrzymuje się przez tysiące kilometrów, co nazywane jest spójnością kwantową. W wielu eksperymentach spójność jest szybko łamana, ale nie sądzi się, że przyczyną jest kwantowa grawitacja, a raczej trudność w wytworzeniu idealnej próżni w laboratorium.

Teoria grawitacja kwantowej miałaby połączyć mechanikę kwantową z ogólną teorią względności (która opisuje oddziaływania grawitacyjne).

Obserwatorium neutrinowe IceCube jest zarządzane przez amerykański University of Wisconsin-Madison. W projekcie pracuje ponad 300 naukowców z wielu krajów, z ponad 50 uniwersytetów.(PAP)

cza/ agt/