Действительно ли законы физики одинаковы во всей Вселенной? Этот фундаментальный принцип, известный как лоренц-инвариантность, лежит в основе теории относительности Эйнштейна. Однако некоторые теории, призванные примирить гравитацию с квантовой физикой, предполагают, что этот принцип не всегда соблюдается.
Чтобы изучить эту возможность, исследователи из международной коллаборации KM3NeT проанализировали 5828 событий, связанных с атмосферными нейтрино, которые были зарегистрированы нейтринным телескопом KM3NeT/ORCA, расположенным в Средиземном море. Они не обнаружили никаких признаков нарушения, но смогли установить новые экспериментальные ограничения на величину таких эффектов, в том числе впервые напрямую ограничили некоторые возможные различия в поведении мюонных и тау-нейтрино. Результаты исследования опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).
Может ли пространство-время отличаться от того, что мы себе представляем?
Зачем подвергать сомнению такой фундаментальный принцип? Одна из причин — поиск теории квантовой гравитации, способной объединить общую теорию относительности с квантовой физикой. Некоторые теоретические подходы предполагают, что пространство-время, которое мы обычно считаем непрерывным, на самом деле может состоять из чрезвычайно малых дискретных единиц. Это может иметь серьезные последствия для законов физики, в том числе привести к нарушению лоренц-инвариантности.
«Мы до сих пор не знаем, является ли наше пространство-время непрерывным или оно может быть дискретным», — объясняет Альба Доми, исследовательница из Эрлангенского центра физики астрочастиц (ECAP) при Университете Фридриха-Александра и одна авторов-корреспондентов исследования. «Поиск нарушений лоренц-инвариантности — один из способов изучить эту возможность».
Как объясняет Доми, нейтрино — особенно перспективный инструмент для поиска признаков новой физики. Эти крошечные частицы редко взаимодействуют с материей, что позволяет им преодолевать огромные расстояния, даже сквозь Землю. У них также есть удивительное свойство: по мере движения они могут менять свой тип, или «аромат» (этот термин используют ученые), на другой — это явление известно как нейтринные осцилляции. Вероятность таких преобразований можно предсказать с высокой точностью. Если наблюдаемое поведение отличается от предсказаний, это может быть признаком новой физики, в том числе нарушения лоренц-инвариантности.
Чтобы выявить такие отклонения, исследователи проанализировали данные, собранные за 1,4 года с помощью первых шести детекторов KM3NeT/ORCA, и сравнили наблюдаемые энергии нейтрино и направления их прибытия с теоретическими прогнозами.
Исследователи не обнаружили признаков нарушения лоренц-инвариантности. Однако это не означает, что такие нарушения невозможны: полученные результаты устанавливают новые ограничения на то, насколько масштабными могут быть определенные эффекты, не противоречащие наблюдениям. Несмотря на то, что результаты были получены на ранней, неполной стадии настройки детектора, они сопоставимы с результатами долгосрочных экспериментов, таких как IceCube и Super-Kamiokande. Кроме того, впервые были установлены прямые ограничения на некоторые возможные эффекты нарушения лоренц-инвариантности, связанные с двумя типами нейтрино — мюонным и тау-нейтрино, а также с осцилляцией нейтрино между этими типами.
Эти результаты особенно многообещающи, учитывая, что на момент сбора данных установка ORCA находилась на ранней стадии строительства и включала в себя всего 6 детекторов. «Результаты демонстрируют потенциал KM3NeT/ORCA в проверке фундаментальных физических принципов даже при использовании относительно небольшого детектора, — говорит Лукас Хенниг, автор-корреспондент исследования. — С увеличением объема данных и расширением детектора мы сможем искать еще более слабые эффекты».
В будущем ученые надеются распространить свои исследования на KM3NeT/ARCA, который фокусируется на нейтрино гораздо более высоких энергий, приходящих из далеких астрофизических источников. Такие нейтрино могут быть особенно перспективными для подобных поисков, поскольку некоторые возможные эффекты нарушения лоренц-инвариантности становятся более заметными на очень больших расстояниях и при более высоких энергиях. «ARCA может быть особенно хорошо приспособлен для такого рода исследований, но у нас пока недостаточно астрофизических нейтринных событий для проведения подобного анализа», — заключает Доми.
[Фото: Edward Berbee/Nikhef]
