Un detector de particule a fost scufundat în Mediterana într-un experiment pentru a testa Teoria Relativităţii

Un observator destinat detectării particulelor, scufundat la o adâncime de peste 1600 de metri în largul coastelor Franţei, a testat cu succes un principiu fundamental al teoriei relativităţii a lui Einstein, potrivit unui studiu publicat în revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, relatează Agerpres. 

Detectorul, denumit ORCA (acronim pentru Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), este conceput să caute particulele evazive numite neutrini.

Experimentul care a testat Teoria Relativității

Primele date furnizate de detector au fost utilizate pentru a testa unul dintre principiile fundamentale ale Teoriei Relativităţii a lui Einstein, şi anume ideea că legile naturii rămân neschimbate, indiferent de orientarea în spaţiu sau de viteza de deplasare a observatorului.

Echipa nu a găsit niciun indiciu care să sugereze că această regulă - cunoscută sub numele de invarianţă Lorentz - ar fi încălcată.

Mai mult, deşi detectorul a funcţionat la o fracţiune din dimensiunea sa finală planificată, cercetătorii au reuşit să stabilească limite care rivalizează cu cele obţinute în cadrul unor experimente mult mai ample şi cu o durată de operare mai îndelungată.

Fizica se bazează pe două teorii de succes: Teoria Relativităţii Generale, concepută de Albert Einstein în urmă cu peste 100 de ani, şi Modelul Standard al fizicii subatomice.

„Relativitatea generală descrie Universul la scară cosmică, în timp ce Modelul Standard al fizicii particulelor descrie Universul la scară microscopică - mai exact, comportamentul particulelor individuale”, a explicat Lukas Hennig, coautor al studiului şi doctorand în fizică avansată la Universitatea din Erlangen-Nurnberg.

Ambele teorii pornesc de la premisa că invarianţa Lorentz este validă. Totuşi, în condiţii extreme - cum ar fi momentele imediat următoare Big Bang-ului - cele două teorii nu se mai potrivesc.

Acest fapt a alimentat, timp de decenii, căutarea unei teorii a gravitaţiei cuantice care să le unifice.

Unele ipoteze, precum anumite variante ale teoriei stringurilor sau gravitaţia cuantică în buclă (loop quantum gravity), sugerează că, la scări extrem de mici, spaţiu-timpul ar putea avea o structură granulară ascunsă - ceea ce ar însemna că invarianţa Lorentz, „una dintre cele mai fundamentale presupuneri pe care le facem despre Universul nostru, ar putea fi încălcată”, a precizat Hennig.

O astfel de încălcare ar fi, în orice caz, extrem de mică. Pentru a o detecta, fizicienii ar avea nevoie de o sondă capabilă să parcurgă distanţe mari, interacţionând aproape deloc cu materia întâlnită pe parcurs. Aici intervin neutrinii.

Neutrinii sunt particule fără masă, care traversează Pământul în fiecare secundă şi nu posedă nicio sarcină electrică. Aceştia interacţionează extrem de puţin cu materia şi există sub trei forme: neutrini electronici, muonici şi tauonici. Pe măsură ce se deplasează, neutrinii se transformă dintr-un tip în altul, urmând un tipar previzibil pe care fizicienii îl numesc oscilaţie a neutrinilor.

Dacă invarianţa Lorentz ar fi încălcată, acest proces de oscilaţie s-ar modifica, efectul devenind cu atât mai pronunţat cu cât neutrinii parcurg o distanţă mai mare. Prin urmare, echipa s-a concentrat pe neutrinii generaţi atunci când razele cosmice lovesc atmosfera în diverse puncte de pe glob, traversând apoi planeta până la detector. Unii dintre neutrinii analizaţi au străbătut întregul diametru al Pământului, de aproximativ 12.700 km.

„Doar neutrinii pot trece”

ORCA face parte din telescopul pentru neutrini KM3NeT. Fiecare unitate de detecţie este ancorată pe fundul mării şi conţine 18 sfere de sticlă, fiecare fiind echipată cu 31 de senzori de lumină. Atunci când un neutrin se ciocneşte de o particulă din apă, se produce o sclipire slabă de lumină albastră, captată de senzori. Potrivit lui Alba Domi, co-autoare a studiului, numărul mare de senzori din fiecare sferă permite echipei să determine cu precizie direcţia din care a venit lumina.

Pământul însuşi acţionează ca un filtru. Cercetătorii au selectat doar particulele care se deplasau în sus, prin interiorul planetei, reuşind astfel să elimine fluxul masiv de alte particule atmosferice care, altfel, ar fi acoperit semnalul. „Doar neutrinii pot trece”, a explicat Hennig.

Această configuraţie diferă de cea a IceCube, detectorul - laureat al Premiului Nobel - îngropat în gheaţa din Antarctica. „Gheaţa dispersează lumina mai mult decât apa, dar, pe de altă parte, apa absoarbe lumina mai mult decât gheaţa”, a precizat Domi. Acest aspect influenţează modul în care fiecare echipă reconstruieşte energia şi traiectoria unui neutrin.

Cercetătorii au analizat 5.828 de neutrini, colectaţi pe parcursul a aproximativ 17 luni, între 2020 şi 2021. Aceştia au constatat că oscilaţiile observate corespund fizicii standard. Acest lucru înseamnă că, dacă există o încălcare a invarianţei Lorentz, aceasta trebuie să fie mai slabă decât limitele stabilite de echipă. Aceste limite sunt importante pentru teoreticieni. Dacă un model "prezice o încălcare a invarianţei Lorentz (mai pronunţată decât noile limite), datele îl infirmă. În acest caz, poţi fi destul de sigur că modelul respectiv nu este corect", a spus Hennig.

Echipa a stabilit, de asemenea, primele limite directe pentru un tip de încălcare care ar trata diferit neutrinii muonici şi neutrinii tauonici.

Limitele stabilite de detector pentru mai mulţi parametri cheie sunt comparabile cu cele obţinute de experimentul japonez Super-Kamiokande - care a utilizat date colectate pe parcursul a 12 ani - şi de IceCube, care a folosit date colectate timp de doi ani cu întreaga sa reţea de senzori.

„Sunt surprins că am obţinut rezultate competitive având doar şase unităţi de detecţi”, a declarat Hennig. În prezent, în apă se află 44 de unităţi, iar până în anul 2030 vor fi instalate 108 unităţi active de detecţie.

Este posibil ca cele mai relevante teste să urmeze abia de acum înainte, pentru că efectele care încalcă invarianţa Lorentz se amplifică odată cu distanţa şi energia. Neutrinii proveniţi din surse cosmice îndepărtate sunt, „de fapt, cei mai buni candidaţi pentru a desfăşura acest tip de cercetare”, a spus Domi.

Echipa intenţionează să repete căutarea folosind detectorul „frate” al ORCA, ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), care este amplasat în largul coastelor Siciliei şi este conceput tot pentru căutarea de neutrini.