Nekoliko hiljada senzora raspoređenih na kvadratnom kilometru u blizini Južnog pola ima zadatak da odgovori na jedno od velikih otvorenih pitanja u fizici: da li postoji kvantna gravitacija? Senzori prate neutrine — čestice bez električnog naboja i gotovo bez mase — koje stižu na Zemlju iz svemira. Tim sa Instituta Niels Bohr (NBI), Univerziteta u Kopenhagenu, doprineo je razvoju metode koja koristi podatke o neutrinama kako bi otkrila da li postoji kvantna gravitacija.
„Ako kao što verujemo, kvantna gravitacija zaista postoji, to će doprineti ujedinjavanju sadašnja dva sveta u fizici. Danas klasična fizika opisuje fenomene u našem normalnom okruženju kao što je gravitacija, dok se atomski svet može opisati samo pomoću kvantne mehanike.
„Ujedinjavanje kvantne teorije i gravitacije ostaje jedan od najistaknutijih izazova u fundamentalnoj fizici. Bilo bi veoma zadovoljavajuće kada bismo mogli da doprinesemo tom cilju“, kaže Tom Stuttard, docent na NBI.
Stuttard je koautor članka objavljenog u časopisu Nature Phisics. U članku su predstavljeni rezultati velike studije NBI tima i američkih kolega. Proučeno je više od 300.000 neutrina.
Međutim, to nisu neutrini najinteresantnijeg tipa koji potiču iz izvora u dubokom svemiru. Neutrini u ovoj studiji nastali su u Zemljinoj atmosferi, kada su se čestice visoke energije iz svemira sudarale sa azotom ili drugim molekulima.
„Gledanje neutrina koji potiču iz Zemljine atmosfere ima praktičnu prednost u tome što su daleko češći od njihove braće i sestara iz svemira. Bili su nam potrebni podaci mnogih neutrina da bismo potvrdili našu metodologiju. Ovo je sada postignuto. Stoga smo spremni da ulazimo u sledeću fazu u kojoj ćemo proučavati neutrine iz dubokog svemira“, kaže Stuttard.
IceCube Neutrino opservatorija se nalazi pored stanice Amundsen-Scott South Pole na Antarktiku. Za razliku od većine drugih objekata za astronomiju i astrofiziku, IceCube najbolje funkcioniše za posmatranje svemira na suprotnoj strani Zemlje, što znači na severnoj hemisferi. To je zato što dok je neutrino savršeno sposoban da prodre u našu planetu — pa čak i u njeno vruće, gusto jezgro — druge čestice će biti zaustavljene, a signal je stoga mnogo čistiji za neutrine koji dolaze sa severne hemisfere.
Objektom IceCube upravlja Univerzitet Viskonsin-Medison, SAD. Više od 300 naučnika iz zemalja širom sveta bilo je angažovano u saradnji na IceCube-u. Univerzitet u Kopenhagenu je jedan od više od 50 univerziteta sa IceCube centrom za studije neutrina.
Pošto neutrino nema električni naboj i skoro je bez mase, ne ometaju ga elektromagnetne i jake nuklearne sile, što mu omogućava da putuje milijardama svetlosnih godina kroz univerzum u svom prvobitnom stanju.
Ključno pitanje je da li su svojstva neutrina u stvari potpuno nepromenjena dok putuje na velike udaljenosti ili su ipak male promene primetne.
„Ako neutrino prođe kroz suptilne promene za koje sumnjamo, ovo bi bio prvi jak dokaz kvantne gravitacije“, kaže Stuttard.
Da bi razumeli koje promene u svojstvima neutrina tim traži, potrebne su neke pozadinske informacije. Dok to nazivamo česticom, ono što posmatramo kao neutrino su zapravo tri čestice proizvedene zajedno, poznate u kvantnoj mehanici kao superpozicija.
Neutrino može imati tri osnovne konfiguracije – ukuse kako ih nazivaju fizičari – a to su elektron, mion i tau. Koju od ovih konfiguracija posmatramo kako se menja kako neutrino putuje, zaista čudan fenomen poznat kao oscilacije neutrina. Ovo kvantno ponašanje se održava na hiljadama kilometara ili više, što se naziva kvantna koherentnost.
„U većini eksperimenata, koherentnost je ubrzo prekinuta. Ali ne veruje se da je to uzrokovano kvantnom gravitacijom. Jednostavno je veoma teško stvoriti savršene uslove u laboratoriji. Želite savršen vakuum, ali nekako nekoliko molekula uspe da se uvuče unutra. itd.
„Nasuprot tome, neutrini su posebni po tome što na njih jednostavno ne utiče materija oko njih, tako da znamo da ako se koherentnost naruši, to neće biti posledica nedostataka u eksperimentalnoj postavci koju je napravio čovek“, objašnjava Stutard.
Upitan da li su rezultati studije objavljene u časopisu Nature Phisics bili očekivani, istraživač odgovara: „Našli smo se u retkoj kategoriji naučnih projekata, odnosno u eksperimentima za koje ne postoji utvrđen teorijski okvir. Dakle, jednostavno nismo znali šta da Međutim, znali smo da možemo da tražimo neka od opštih svojstava koja bismo mogli očekivati da ima kvantna teorija gravitacije.“
„Iako smo se nadali da ćemo videti promene vezane za kvantnu gravitaciju, činjenica da ih nismo videli uopšte ne isključuje da su stvarni. Kada se atmosferski neutrino otkrije u objektu na Antarktiku, on će obično proći kroz Zemlje. To znači otprilike 12.700 km — veoma kratka udaljenost u poređenju sa neutrinima koji potiču iz udaljenog univerzuma. Očigledno je potrebna mnogo veća udaljenost da bi kvantna gravitacija izvršila uticaj, ako postoji“, kaže Stuttard, napominjući da je glavni cilj studija je bila da se uspostavi metodologija.
„Godinama su mnogi fizičari sumnjali da li bi eksperimenti ikada mogli da se nadaju da će testirati kvantnu gravitaciju. Naša analiza pokazuje da je to zaista moguće, a budućim merenjima sa astrofizičkim neutrinima, kao i preciznijim detektorima koji će biti izgrađeni u narednoj deceniji, nadamo se da ćemo konačno odgovoriti na ovo fundamentalno pitanje“.
