Tajemství kvantové gravitace naznačují neutrina z jižního pólu

Publikovaný obrázek představuje pohled na observatoř IceCube Neutrino Observatory, která je pohřbena v hloubkách mezi 1,5 a 2,5 kilometry pod antarktickým ledem na jižním pólu. Jediným viditelným zařízením nad povrchem je laboratoř IceCube, která hostí počítače, které shromažďují data z více než 5 000 světelných senzorů v ledu.

Tým University of Copenhagen přispívá k rozsáhlému antarktickému experimentu, který se snaží zjistit, zda gravitace existuje také na kvantové úrovni. Zdá se, že odpověď obsahuje mimořádná částice schopná nerušeně cestovat vesmírem.

Několik tisíc senzorů rozmístěných na kilometr čtvereční poblíž jižního pólu má za úkol odpovědět na jednu z velkých nevyřešených otázek ve fyzice: existuje kvantová gravitace? Senzory sledují neutrina – částice bez elektrického náboje a téměř bez hmoty – přilétající k Zemi z vesmíru. Tým z Institutu Nielse Bohra (NBI), University of Copenhagen, přispěl k vývoji metody, která využívá neutrinová data k odhalení, zda existuje kvantová gravitace.

„Pokud, jak věříme, kvantová gravitace skutečně existuje, přispěje to ke sjednocení současných dvou světů ve fyzice. Dnes klasická fyzika popisuje jevy v našem normálním okolí, jako je gravitace, zatímco atomový svět lze popsat pouze pomocí kvantové mechaniky. Sjednocení kvantové teorie a gravitace zůstává jednou z nejvýraznějších výzev základní fyziky. Bylo by velmi uspokojující, kdybychom k tomu mohli přispět,“ říká Tom Stuttard, odborný asistent na NBI.

Tom Stuttard je spoluautorem vědeckého článku, který zveřejnil prestižní časopis Nature Physics. Článek prezentuje výsledky velké studie týmu NBI a amerických kolegů. Bylo studováno více než 300 000 neutrin. Nejedná se však o neutrina nejzajímavějšího typu pocházející ze zdrojů v hlubokém vesmíru. Neutrina v této studii vznikla v zemské atmosféře, když se vysokoenergetické částice z vesmíru srazily s dusíkem nebo jinými molekulami.

„Pohled na neutrina pocházející ze zemské atmosféry má praktickou výhodu v tom, že jsou mnohem běžnější než jejich sourozenci z vesmíru. Potřebovali jsme data z mnoha neutrin k ověření naší metodiky. To se nyní podařilo. Jsme tedy připraveni vstoupit do další fáze, ve které budeme studovat neutrina z hlubokého vesmíru,“ říká Tom Stuttard.

Nerušené cestování po Zemi

IceCube Neutrino Observatory se nachází vedle stanice Amundsen-Scott South Pole v Antarktidě. Na rozdíl od většiny ostatních astronomických a astrofyzikálních zařízení funguje IceCube nejlépe pro pozorování vesmíru na opačné straně Země, tedy na severní polokouli. Je to proto, že zatímco je neutrino dokonale schopné proniknout naší planetou – a dokonce i jejím horkým, hustým jádrem – ostatní částice budou zastaveny, a signál je tak mnohem čistší pro neutrina přicházející ze severní polokoule.

Zařízení IceCube provozuje University of Wisconsin-Madison, USA. Více než 300 vědců ze zemí celého světa je zapojeno do spolupráce IceCube. University of Copenhagen je jednou z více než 50 univerzit, které mají centrum IceCube pro studium neutrin.

Protože neutrino nemá žádný elektrický náboj a je téměř nehmotné, není rušeno elektromagnetickými a silnými jadernými silami, což mu umožňuje cestovat vesmírem miliardy světelných let v jeho původním stavu. Klíčovou otázkou je, zda se vlastnosti neutrina při cestování na velké vzdálenosti ve skutečnosti zcela nemění, nebo zda jsou drobné změny přece jen pozoruhodné. „Pokud neutrino projde jemnými změnami, o kterých tušíme, byl by to první silný důkaz kvantové gravitace,“ říká Tom Stuttard.

Neutrino přichází ve třech příchutích

Abychom pochopili, které změny vlastností neutrin tým hledá, potřebujeme několik základních informací. Zatímco je označujeme jako částici, to, co pozorujeme jako neutrino, jsou ve skutečnosti tři částice vytvořené společně, známé v kvantové mechanice jako superpozice. Neutrino může mít tři základní konfigurace – příchutě, jak je fyzici nazývají – které jsou elektron, mion a tau. Které z těchto konfigurací pozorujeme, když se neutrino pohybuje, to je skutečně zvláštní jev známý jako oscilace neutrin. Toto kvantové chování je udržováno na tisících kilometrů nebo více, což se nazývá kvantová koherence.

„Ve většině experimentů je koherence brzy narušena. Ale nevěří se, že by to bylo způsobeno kvantovou gravitací. Je jen velmi obtížné vytvořit dokonalé podmínky v laboratoři. Chcete dokonalé vakuum, ale nějak se pár molekulám podaří proklouznout dovnitř atd. Oproti tomu neutrina jsou zvláštní v tom, že na ně prostě nemá vliv hmota kolem nich, takže víme, že pokud se koherence naruší, nebude to kvůli nedostatkům v experimentálním nastavení vytvořeném člověkem,“ vysvětluje Tom Stuttard.

Mnoho kolegů bylo skeptických

Na otázku, zda výsledky studie publikované v Nature Physics byly podle očekávání, výzkumník odpovídá: „Ocitli jsme se ve vzácné kategorii vědeckých projektů, konkrétně v experimentech, pro které neexistuje žádný ustálený teoretický rámec. Takže jsme prostě nevěděli, co čekat. Věděli jsme však, že můžeme hledat některé z obecných vlastností, které bychom mohli očekávat od kvantové teorie gravitace.“

„Ačkoli jsme doufali, že uvidíme změny související s kvantovou gravitací, skutečnost, že jsme je neviděli, vůbec nevylučuje, že jsou skutečné. Když je v antarktickém zařízení detekováno atmosférické neutrino, obvykle prošlo Zemí. To znamená přibližně 12 700 km — velmi krátká vzdálenost ve srovnání s neutriny pocházejícími ze vzdáleného vesmíru. K dopadu kvantové gravitace, pokud existuje, je zjevně potřeba mnohem delší vzdálenost,“ říká Tom Stuttard s tím, že hlavním cílem studie bylo stanovit metodologii:

„Mnoho fyziků léta pochybovalo, zda experimenty mohou někdy doufat, že otestují kvantovou gravitaci. Naše analýza ukazuje, že je to skutečně možné, a doufáme, že díky budoucím měřením s astrofyzikálními neutriny, stejně jako přesnějším detektorům, které se budou budovat v nadcházející dekádě, konečně odpovíme na tuto základní otázku.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/neutrinos-whisper-quantum-gravity-secrets-from-the-south-pole/

autor: František Martinek