Νέα μελέτη με τον πιο ενδελεχή μέχρι σήμερα έλεγχο στα υψηλής ενέργειας νετρίνα αποδεικνύει και πάλι σωστό τον Einstein

Πριν από λίγες ημέρες ανακοινώθηκε από το NSF (National Science Foundation) η σημαντικότατη είδηση του εντοπισμού μιας πηγής παραγωγής κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας με επεξεργασία της παρατήρησης ενός νετρίνου από τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από τον μεγαλύτερο ανιχνευτή νετρονίων του κόσμου, το IceCube Neutrino Observatory του NSF, στο Σταθμό Amundsen-Scott του Νότιου Πόλου στην Ανταρκτική. Είναι η πρώτη φορά που εντοπίζεται μια τέτοια πηγή και έτσι λύνεται – κατά κάποιο τρόπο – ένα πρόβλημα ενός περίπου αιώνα. Από το ίδιο παρατηρητήριο νετρίνων, επιστήμονες από το MIT και οι συνάδελφοί τους από το Πείραμα IceCube, χρησιμοποίησαν τα δεδομένα που για δυο χρόνια συνέλεγαν για να ερευνήσουν για μια απόκλιση στην κανονική ταλάντωση των νετρίνων. Η ενδελεχής αυτή ανάλυση έγινε για να ερευνηθεί το κατά πόσο υπάρχει παραβίαση της συμμετρίας Lorentz στα νετρίνα.

Η συμμετρία Lorentz είναι ο ακρογωνιαίος λίθος της θεωρίας της Ειδικής Σχετικότητας του Einstein, που προβλέπει ότι το σύμπαν θα πρέπει να είναι ένας προβλέψιμα συμμετρικός χώρος. Η αρχή αυτή δηλώνει ότι κάθε επιστήμονας θα πρέπει να παρατηρεί τους ίδιους νόμους της Φυσικής, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση και ανεξάρτητα από το σύστημα αναφοράς του καθενός, όσο μακριά και αν κινείται ένα αντικείμενο με σταθερή ταχύτητα. Για παράδειγμα, ως συνέπεια της συμμετρίας Lorentz, θα πρέπει να παρατηρούμε την ίδια ταχύτητα του φωτός – τη γνωστή πλέον τιμή των 300 εκατομμυρίων μέτρων ανά δευτερόλεπτο – είτε ο παρατηρητής είναι ένας αστροναύτης που ταξιδεύει στο διάστημα είτε ένα μόριο που κινείται στο αίμα μας. Ελέγχοντας δηλαδή τη συμμετρία Lorentz, οι επιστήμονες ελέγχουν την θεωρία του Einstein.

Ο έλεγχος μιας θεωρίας είναι ένα σημαντικό στάδιο της επιστημονικής μεθόδου, όχι μόνο επειδή η επιβεβαίωση της θεωρίας την ισχυροποιεί, αλλά και επειδή η διαδικασία του ελέγχου αποτελεί στοιχείο της αντικειμενικότητας της μεθόδου, δηλαδή της ανεξαρτησίας της από τον πειραματιστή και τα πιστεύω του. Έτσι και με τη θεωρία του Einstein η οποία προβλέπει μια συγκεκριμένη συμπεριφορά των νετρίνων. Αν η ανάλυση των δεδομένων αποδώσει αποτελέσματα που δείχνουν ότι η πρόβλεψη αποκλίνει, τότε θα πρέπει ή να διορθωθεί η συγκεκριμένη θεωρία ή να αναζητηθεί μια νέα φυσική – κάτι που ακούγεται αρκετά τελευταία που οι επιστήμονες έρχονται σε επαφή με νέα πρωτόγνωρα φαινόμενα. Κάθε επιβεβαίωση, λοιπόν, ότι η παραβίαση της Lorentz υπάρχει θα μπορούσε να δείξει σε μια τελείως νέα φυσική που δεν θα μπορούσε να εξηγηθεί από τη θεωρία του Einstein.

Το κυνήγι για την εύρεση στοιχείων της παραβίασης της Lorentz γίνεται σε ποικίλα φαινόμενα, από τα φωτόνια μέχρι τη βαρύτητα, χωρίς καθοριστικά αποτελέσματα. Οι φυσικοί θεωρούν ότι αν η παραβίασης της Lorentz υφίσταται, θα μπορούσε να εντοπιστεί επίσης στα νετρίνα, τα ελαφρότερα γνωστά σωμάτια στο σύμπαν, τα οποία ταξιδεύουν τεράστιες αποστάσεις αφού παραχθούν από κατακλυσμιαία υψηλής ενέργειας αστροφυσικά φαινόμενα. Η σκέψη είναι απλή: για απειροελάχιστα μικρά αντικείμενα που λειτουργούν σε απίστευτα υψηλές ενέργειες και σε τεράστιες αποστάσεις του σύμπαντος, οι ίδιοι νόμοι της φυσικής μπορεί να μην ισχύουν. Σε αυτές τις ακραίες κλίμακες, μπορεί να εντοπιστεί μια παραβίαση της συμμετρίας Lorentz, στην οποία ένα μυστηριώδες, άγνωστο πεδίο αλλοιώνει τη συμπεριφορά αυτών των αντικειμένων, των νετρίνων, κατά τρόπο που η θεωρία του Einstein δεν προβλέπει. Τα δεδομένα αναλύθηκαν με μεγάλη προσοχή και τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Physics.

Το IceCube Lab στο Νότιο Πόλο

Πώς το έψαξαν οι επιστήμονες;

Τα νετρίνα υπάρχουν σε τρία κύρια είδη ή – όπως αναφέρονται από τους φυσικούς – «γεύσεις»: τα ηλεκτρονικά, τα μυονικά και τα ταυ νετρίνα. Καθώς το νετρίνο ταξιδεύει στο διάστημα, η γεύση του μπορεί να ταλαντώνεται, δηλαδή να μεταμορφώνεται σε κάθε άλλη γεύση. Ο τρόπος που ταλαντώνεται το νετρίνο τυπικά εξαρτάται από τη μάζα του ή την απόσταση που έχει ταξιδεύσει. Εδώ βρίσκεται το σημείο που θα συνέβαλε στον έλεγχο της θεωρίας του Einstein: Αν υπάρχει κάπου στο σύμπαν ένα πεδίο όπου παραβιάζεται η συμμετρία Lorentz, θα μπορούσε να αλληλεπιδρά με τα νετρίνα που το διαπερνούν και να επηρεάζει τις ταλαντώσεις τους.

Τα νετρίνα καθώς κινούνται μέσω του διαστήματος και της Γης μπορούν και αλληλεπιδρούν με τον πάγο που αποτελεί τον ανιχνευτή ή το υπόστρωμα κάτω από αυτόν. Αυτή η αλληλεπίδραση παράγει μυόνια – φορτισμένα σωμάτια που είναι βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια. Τα μυόνια εκπέμπουν φως καθώς κινούνται μέσω του πάγου του IceCube Neutrino Observatory, παράγοντας μακριά ίχνη που μπορούν να περνάνε μέσα από ολόκληρο τον ανιχνευτή. Βασισμένοι στο φως που καταγράφηκε, οι επιστήμονες μπορούν να παρακολουθήσουν την τροχιά και να εκτιμήσουν την ενέργεια ενός μυονίου, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί και πηγαίνοντας προς τα πίσω να υπολογίσουν την ενέργεια – και την αναμενόμενη ταλάντωση – του αρχικού νετρίνου.

Η ερευνητική ομάδα υπό την ηγεσία των Carlos Argüelles και Teppei Katori, αποφάσισε να ψάξει για παραβίαση της Lorentz στα υψηλότερης ενέργειας νετρίνα που παράγονται στην ατμόσφαιρα της Γης. Με τα λόγια του Katori: «Οι ταλαντώσεις του νετρίνου που παρατηρούνται με το IceCube δρουν ως το μεγαλύτερο συμβολόμετρο στον κόσμο για να αναζητήσουν το ελαχιστότατο φαινόμενο, όπως ένα έλλειμμα του χωρόχρονου». Η ομάδα ερεύνησε δεδομένα από περισσότερες από 35.000 αλληλεπιδράσεις μεταξύ μυονικού νετρίνου και του ανιχνευτή. Η υπόθεση των επιστημόνων ήταν ότι αν το πεδίο παραβίασης της Lorentz υπάρχει, θα πρέπει να παράγει ένα ασυνήθιστο μοτίβο ταλαντώσεων από τα νετρίνα που φτάνουν στον ανιχνευτή από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, που θα πρέπει να γίνεται περισσότερο κύριο καθώς αυξάνεται η ενέργεια. Ένα τέτοιο ασυνήθιστο μοτίβο ταλάντωσης θα πρέπει να ανταποκρίνεται σε ένα παρόμοια ασυνήθιστο ενεργειακό φάσμα για τα μυόνια. Οι ερευνητές υπολόγισαν την απόκλιση στο ενεργειακό φάσμα που θα ανέμεναν να δουν αν η παραβίαση της συμμετρίας Lorentz υπήρχε και σύγκριναν το φάσμα αυτό με το πραγματικό ενεργειακό φάσμα που παρατηρήθηκε από το IceCube για τα υψηλότερης ενέργειας νετρίνα από την ατμόσφαιρα.

Παραβιάζεται τελικά η συμμετρία Lorentz;

Ο λόγος της Janet Conrad, καθηγήτριας φυσικής στο MIT και μια επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης είναι αποκαλυπτικός: «Αναζητούσαμε να δούμε αν η παραβίαση της Lorentz προκαλούσε μια απόκλιση και δεν την είδαμε. Αυτό κλείνει το βιβλίο για τη πιθανότητα της παραβίασης της Lorentz για μια περιοχή των υψηλής ενέργειας νετρίνων, για πολύ καιρό».

Τα αποτελέσματα της ερευνητικής ομάδας θέτουν το πιο αυστηρό όριο από ποτέ για το πόσο ισχυρά τα νετρίνα μπορεί να επηρεάζονται από ένα πεδίο παραβίασης της Lorentz. Οι ερευνητές υπολόγισαν, με βάση τα δεδομένα του IceCube, ότι ένα πεδίο παραβίασης με μια σχετιζόμενη ενέργεια μεγαλύτερη από 10^-36 GeV^2 δεν θα επηρέαζε τις ταλαντώσεις των νετρίνων. Πρόκειται για μια εξαιρετικά μικρή δύναμη η οποία είναι μακράν πιο ασθενής από την αυτή των κανονικών ασθενών αλληλεπιδράσεων των νετρίνων με την υπόλοιπη ύλη, που είναι στο επίπεδο του 10^-5 GeV^2.

Η ομάδα σχεδιάζει να αναζητήσει για την παραβίαση της συμμετρίας Lorentz σε ακόμη υψηλότερης ενέργειας νετρίνα που παράγονται από αστροφυσικές πηγές.

Πηγή: Massachusetts Institute of Technology

Περισσότερα στη δημοσίευση: Neutrino interferometry for high-precision tests of Lorentz symmetry with IceCube. Nature Physics.