Науковці хочуть перевірити, чи інваріантність Лоренца зберігається в усіх куточках Всесвіту. Вона означає, що закони Ейнштейна зберігаються усюди. І для того, аби переконатися в цьому, не обов’язково летіти в інші галактики. Достатньо лише встановити детектори нейтрино на дні Середземного моря.
Пошук дискретності простору-часу за допомогою нейтрино
Чи справді закони фізики однакові в усіх куточках Всесвіту? Цей фундаментальний принцип, відомий як інваріантність Лоренца, лежить в основі теорії відносності Ейнштейна. Проте деякі теорії, що намагаються узгодити гравітацію з квантовою фізикою, припускають, що він може не завжди дотримуватися. Щоб дослідити цю можливість, науковці з міжнародної колаборації KM3NeT проаналізували 5828 потенційних подій атмосферних нейтрино, зареєстрованих KM3NeT/ORCA — нейтринним телескопом, розташованим на великій глибині в Середземному морі. Про це повідомляє сайт Phys.org.
Навіщо ж ставити під сумнів такий фундаментальний принцип? Однією з причин є пошук теорії квантової гравітації, здатної поєднати загальну теорію відносності з квантовою фізикою. Деякі теоретичні підходи припускають, що простір-час, який ми зазвичай вважаємо суцільним, насправді може складатися з надзвичайно малих, дискретних одиниць. Це може мати глибокі наслідки для законів фізики, зокрема потенційно призвести до порушень інваріантності Лоренца.
«Ми досі не знаємо, чи є наш простір-час суцільним, чи, можливо, дискретним, — пояснює Альба Домі, наукова співробітниця Ерлангенського центру астрочастинкової фізики (ECAP) при Університеті імені Фрідріха-Александра в Ерлангені-Нюрнберзі та одна з двох відповідальних авторів дослідження. — Пошук порушень інваріантності Лоренца — це один зі способів дослідити цю можливість».
Як пояснює Домі, нейтрино є особливо перспективними інструментами для пошуку ознак такої нової фізики. Ці крихітні частинки рідко взаємодіють з речовиною, що дозволяє їм долати величезні відстані, навіть проникаючи крізь Землю. Вони також мають дивовижну властивість: під час руху можуть перетворюватися з одного типу, або аромату, на інший — це явище відоме як осциляція нейтрино. Імовірність цих перетворень можна передбачити з великою точністю. Якщо спостережувана поведінка відрізняється від цих прогнозів, це може бути ознакою нової фізики, що потенційно включає порушення інваріантності Лоренца.
Щоб виявити такі відхилення, дослідники проаналізували дані за 1,4 року, зібрані першими шістьма детекторами KM3NeT/ORCA, порівнявши спостережувані енергії нейтрино та напрямки їхнього надходження з теоретичними прогнозами.
Встановлення обмежень порушення інваріантності Лоренца
Дослідники не виявили жодних доказів порушення інваріантності Лоренца. Однак це не означає, що такі порушення неможливі: їхні результати встановлюють нові межі того, наскільки великими можуть бути певні ефекти, не суперечачи спостереженням. Попри те, що ці результати були отримані за допомогою ранньої, часткової конфігурації детектора, вони не поступаються результатам довготривалих експериментів, таких як IceCube та Super-Kamiokande. Вперше науковці також встановили прямі межі для певних можливих ефектів порушення інваріантності Лоренца, що стосуються двох типів нейтрино — мюонного та тау-нейтрино — та способу їхніх осциляцій між собою.
Ці результати є особливо багатообіцяючими, враховуючи, що на момент збору даних детектор ORCA ще перебував на ранній стадії будівництва й працював лише з шістьма блоками детекції. Детектор і досі розширюється до повної запланованої конфігурації.
«Ці результати свідчать про потенціал KM3NeT/ORCA у перевірці фундаментальних принципів фізики навіть за допомогою відносно невеликого детектора, — зазначає Лукас Хенніг, аспірант ECAP та інший співавтор дослідження. — Зі збільшенням обсягу даних та розширенням детектора ми зможемо шукати ще менші ефекти».
Розширення досліджень на нейтринному детекторі
У майбутньому дослідники сподіваються поширити свої дослідження на KM3NeT/ARCA, який зосереджується на нейтрино набагато вищої енергії, що надходять із віддалених астрофізичних джерел. Такі нейтрино можуть бути дуже перспективними для цих пошуків, оскільки деякі можливі ефекти порушення інваріантності Лоренца стають більш вираженими на дуже великих відстанях та при вищих енергіях. «ARCA могла б бути особливо придатною для такого роду досліджень, але ми ще не маємо достатньої кількості астрофізичних нейтринних подій, щоб провести такий аналіз», — пояснює Домі.
Зростання значення досліджень високоенергетичних нейтрино нещодавно відзначили присудженням Нобелівської премії з фізики за 2026 рік Френсісу Гальзену за його новаторський внесок у роботу нейтринної обсерваторії IceCube та відкриття високоенергетичних нейтрино космічного походження.
