ABSTRACT bryter ned tankevekkende vitenskapelig forskning, fremtidig teknologi, nye oppdagelser og store gjennombrudd.
Forskere har kikket inn i romtidens struktur for å se etter ny fysikk som kan skrives inn i signaturene til unnvikende “spøkelsespartikler”, ved hjelp av et gigantisk observatorium som strekker seg nesten en kilometer under Sydpolen, rapporterer en ny studie.
Selv om dette årelange eksperimentet ikke fant noen ny fysikk innprentet i disse spektralpartiklene, kjent som nøytrinoer, representerer det fortsatt et enestående glimt inn i skyggerike riker av kosmos som har vært ute av syne til nå. Spesielt kaster den nye forskningen lys på søken etter å beskrive tyngdekraften ved hjelp av kvantemekanikk, fordi denne såkalte “kvantetyngdekraften” er en viktig nøkkel til å låse opp noen av de største mysteriene i universet.
IceCube Neutrino Observatory, det største nøytrinoteleskopet i verden, har vært i drift i et tiår på Sydpolen. Detektoren består av tusenvis av sensorer som når rundt 2500 meter under den antarktiske isen – omtrent på lengden av 28 fotballbaner – hvor de fanger opp energiske nøytrinoer som har sitt utspring i eksplosive hendelser fra kanten av tid og rom.
Nå har IceCube-samarbeidet, et team som inkluderer mer enn 400 forskere, annonsert resultatene av et “søk etter ny rom-tid-struktur” som undersøkte områder av universet som tidligere var “utilgjengelige for menneskelig teknologi, ifølge en studie publisert mandag i Naturfysikk.
“IceCube er veldig spesiell, fordi den kan se nøytrinoer komme veldig langt unna og med veldig høy energi,” sa Teppei Katori, et IceCube-teammedlem og en eksperimentell partikkelfysiker ved King’s College London, samt en medforfatter av studere, i en samtale med hovedkort.
«Vi bruker disse to egenskapene; at nøytrinoer kan reise den lengste avstanden i universet og med den høyeste energien», fortsatte han. “Det er en stor antagelse, men disse partiklene antas å være veldig følsomme for alt innen romtid.”
Nøytrinoer er så lette at massene deres er nesten umerkelige, noe som gir dem kallenavnet «spøkelsespartikler». Av denne grunn kan de enkelt passere gjennom planeter, stjerner og andre former for materie uten å bremse eller endre retning. Dette gjør nøytrinoer svært vanskelig å oppdage med konvensjonelle instrumenter, selv om de er så mange i universet at rundt 100 billioner av dem passerer gjennom kroppen din hvert sekund.
De fleste av nøytrinoene rundt jorden blir skutt ut av solen, men det er en annen klasse høyenergiske “astrofysiske nøytrinoer” som kommer fra pyrotekniske objekter kalt “kosmiske akseleratorer” som befinner seg mange milliarder lysår fra jorden. Disse akseleratorene kan være objekter som blazarer, som er galaktiske sentre som sprenger ut stråler av lys og energi, selv om de eksakte kildene til astrofysiske nøytrinoer fortsatt er ukjente.
Nøytrinoer kommer i tre forskjellige “smaker” som er assosiert med fundamentale partikler i universet kalt elektroner, myoner og taus. Forskere har lenge mistenkt at endringer i smaken til astrofysiske nøytrinoer kan åpne et vindu inn i områder av romtid som kan trosse det som er kjent som Lorentz-symmetri, som er en viktig grunnstein i Albert Einsteins spesielle relativitetsteori.
Lorentz-symmetri betyr i hovedsak at kosmos skal se likt ut for to observatører som reiser med konstant hastighet i forhold til hverandre. Med andre ord, universet i store skalaer er i utgangspunktet isotropt og homogent, selv om det fremstår som mer variert i mindre skalaer, inkludert planetperspektivet vi opplever som mennesker på jorden. Forskere er besatt av å oppdage brudd på denne symmetrien fordi de kan avsløre den lenge ettersøkte manglende koblingen mellom tyngdekraften og standardmodellen for partikkelfysikk som styrer kvantemekanikk.
“I de siste 100 årene har folk prøvd å finne bevis på at Lorentz-symmetri ikke er sann, og ingen kan finne det,” forklarte Katori. “Dette er en av de mest tradisjonelle studiene av moderne fysikk – mennesker som utfordrer denne romtidsteorien.”
“Hvis noe er galt i Lorentz-symmetrien eller noe er utenfor Lorentz-symmetrien, kan du for første gang ha en forbindelse til tyngdekraften i standardmodellen,” la han til. “Kvantetyngekraft er noe mange mennesker håper virkelig er neste generasjon, eller en åpen dør til neste trinn.”
Astrofysiske nøytrinoer tilbyr en lovende test av Einsteins teorier fordi de kan møte uutforskede områder av romtid som er påvirket av kvantetyngdekraften. Nøytrinoer som passerer gjennom slike områder kan potensielt bytte smak på overraskende måter som vil etterlate en oversikt over romtidsanomalier i signaturene deres som kan leses av forskere som fanger dem på jorden.
“Neutrinoer bytter smaker selv uten denne romtidseffekten,” bemerket Katori. “Vi leter etter unormale endringer, eller uforutsette måter å endre på. Det er fokus for denne forskningen.»
IceCubes søk fant ingen anomalier i konvertering av nøytrinosmak, noe som lar forestillingen om Lorentz-symmetri være intakt for nå. Mens Katori sa at disse resultatene var noe “skuffende” – hvem vil ikke finne ny fysikk, tross alt? – er det fortsatt et viktig funn. IceCube var i stand til å “utvetydig nå parameterrommet til kvantegravitasjonsmotivert fysikk,” ifølge studien. Sagt på en annen måte, resultatene har banet en ny sti inn i det teoretiske domenet av kvantetyngdekraft som vil ha alle slags bruksområder for forskere på tvers av felt.
“Vi tror dette er gode resultater,” sa Katori. “Vi har den høyeste følsomheten, og vi er også det første eksperimentet som når en region – eller ‘faserom’, det tekniske ordet – for å virkelig se etter det,” med henvisning til Lorentz symmetribrudd.
“Jeg er så lettet over at den endelig er publisert,” fortsatte han. “Fra dataopptak og andre problemer er det bare en så lang innsats.”
Selv når dette første eksperimentet kommer til en bittersøt slutt, dukker det opp en ny begynnelse under den antarktiske isen, så vel som fra andre instrumenter rundt om i verden. IceCube-samarbeidet planlegger å gjennomsøke datasettet deres igjen ved å bruke nye maskinlæringsteknikker som kan være i stand til å finne anomalier som ble savnet i denne studien. Teamet håper også å dramatisk utvide størrelsen på IceCube for å få et enda større datasett som til slutt kan avsløre spor av romtidsanomalier som peker på kvantetyngdekraften.
“Etter min mening er det fortsatt en sjanse,” sa Katori. “Denne analysen er den første iterasjonen av denne typen. Vi gjorde dette til et analyserammeverk og utviklet koden, men på en eller annen måte gjorde vi ikke det beste av det beste fordi ting fortsatt utvikler seg.»
“Jeg tror det er en sjanse til å forbedre det,” bemerket han, “men jeg kan ikke garantere hvor mye.”
I mellomtiden viser de nye resultatene at det er mulig å undersøke selve romtiden ved å bruke glatte partikler fra det fjerne universet, noe som gir en måte å utforske en rekke andre potensielle modeller og eksperimenter.
“Selv om motivasjonen for denne analysen er å lete etter bevis på kvantetyngdekraft, er formalismen vi har brukt modelluavhengig, og resultatene våre kan sette grenser for forskjellige nye fysikkmodeller, inkludert en ny langdistansekraft, nøytrino-mørk energi kobling, spredning av nøytrino-mørk materie, brudd på tilsvarende prinsipp og så videre», konkluderte IceCube-samarbeidet i studien.