Вчені не знайшли слідів квантової гравітації в нейтрино

У пошуках єдиної теорії, здатної узгодити загальну теорію відносності та квантову механіку, вчені звертаються до однієї з найбільш невловимих частинок у природі – нейтрино, щоб виявити ознаки квантової гравітації.

Невловимий ключ до розуміння Всесвіту

Квантова гравітація залишається відсутньою ланкою у фізиці – теорією, яка могла б пояснити як поведінку гігантських космічних структур, так і мікроскопічний світ елементарних частинок. Нейтрино, завдяки своїм унікальним властивостям, може стати ключем до розв’язання цієї фундаментальної загадки.

Ці елементарні частинки без електричного заряду настільки слабко взаємодіють з матерією, що можуть пролітати крізь усю Землю, майже не зустрічаючи перешкод. Саме ця властивість робить нейтрино надзвичайно складними для виявлення, але водночас ідеальними “розвідниками” для спостереження за ефектами квантової гравітації.

Підводна обсерваторія на варті квантових ефектів

Для пошуку цих невловимих частинок вчені використовують KM3NeT (Кілометровий кубічний нейтринний телескоп) – масштабну підводну обсерваторію, розташовану на глибині близько 2450 метрів біля узбережжя Тулона, Франція. Один із її детекторів, ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), спеціально призначений для вивчення осциляцій нейтрино.

У рідкісних випадках, коли нейтрино взаємодіє з молекулами води, воно може створювати характерне блакитне світіння, відоме як черенковське випромінювання. Саме це світіння і фіксують чутливі детектори KM3NeT.

Коливання ідентичності та пошук декогеренції

Одна з найзагадковіших властивостей нейтрино – їхня здатність змінювати свою природу під час руху, явище, відоме як “смакові коливання”. Нейтрино існує як квантова суперпозиція трьох різних масових станів, і ця суперпозиція залишається чітко визначеною завдяки явищу когерентності.

“Існує кілька теорій квантової гравітації, які так чи інакше передбачають ефект декогеренції, оскільки вони говорять, що нейтрино не є ізольованою системою. Воно може взаємодіяти з навколишнім середовищем”, – пояснює Надя Лессінг, фізик з Інституту корпускулярної фізики Університету Валенсії та автор-кореспондент дослідження.

Якщо квантова гравітація існує, вона може викликати явище декогеренції – послаблення або придушення цих коливань через взаємодію нейтрино з простором-часом на квантовому рівні. З експериментальної точки зору, таке явище проявилося б як пригнічення нейтринних коливань.

Важливі результати і майбутні перспективи

У нещодавньому дослідженні, проведеному міжнародною групою вчених, були проаналізовані дані, зібрані за допомогою детектора KM3NeT/ORCA. Результати не виявили жодних ознак декогеренції у коливаннях нейтрино.

“Це означає, що якщо квантова гравітація і змінює нейтринні коливання, то з інтенсивністю, нижчою за поточну межу чутливості”, – зазначає Лессінг. Дослідження встановило нові, більш суворі верхні межі для потенційного ефекту квантової гравітації на нейтрино, перевершивши обмеження, встановлені попередніми експериментами.

Хоча виявлення нейтринної декогеренції було б революційним відкриттям, навіть її відсутність надає цінну інформацію для наших теорій.

З покращенням чутливості детекторів та збільшенням обсягу даних, майбутні дослідження зможуть або виявити слабкі ефекти квантової гравітації, або встановити ще жорсткіші обмеження на теорії, наближаючи нас до розуміння фундаментальної природи простору, часу та матерії.