فیزیکدانان یک تلسکوپ را در عمق 1.5 مایلی زیر دریا غرق کردند تا نسبیت انیشتین را مورد آزمایش قرار دهند.

نمایی از داخل یک بلوک ساختمانی آشکارساز، با بویه زرد رنگ واحد تشخیص نزدیک به وضوح قابل مشاهده است. (اعتبار تصویر: ادوارد بربی/نیخف) یک تلسکوپ آشکارساز ذرات که بیش از یک مایل در زیر دریا در سواحل فرانسه غرق شد، یک اصل اصلی نسبیت انیشتین را آزمایش کرد و هیچ شکافی پیدا نکرد.

این آشکارساز که تحقیقات نوسانی با کیهان در پرتگاه (ORCA) نام دارد، ذرات گریزان به نام نوترینو را شناسایی می کند. به عنوان دانشجوی دکترا، آلبا دومی سوار بر یکی از دو قایق‌هایی که به ساخت تلسکوپ کمک کردند، به سمت دریای مدیترانه رفت و برخی از اولین واحدهای تشخیص آن را در حدود 1.5 مایلی (2.4 کیلومتری) زیر امواج تولون فرانسه پایین آورد.

اکنون، داده‌های اولین واحدهای شناسایی برای آزمایش یکی از قواعد بنیان‌گذار نسبیت انیشتین استفاده شده است: این ایده که قوانین طبیعت بدون توجه به اینکه به کدام سمت روبرو می‌شوید یا با چه سرعتی حرکت می‌کنید یکسان به نظر می‌رسند.

تیم هیچ نشانه ای مبنی بر شکسته شدن این قاعده که تغییر ناپذیری لورنتس نامیده می شود، پیدا نکرد. اما حتی با وجود یک آشکارساز تنها کسری از اندازه برنامه ریزی شده آن، آنها محدودیت هایی را تعیین می کنند که با آزمایش های بسیار بزرگتر و طولانی تر رقابت می کند.

نتایج روز چهارشنبه (4 نوامبر) در مجله کیهان شناسی و فیزیک اخترشناسی منتشر شد.

شکافی در فضا-زمان؟

فیزیک بر دو نظریه موفق استوار است: نسبیت عام، که بیش از 100 سال پیش توسط آلبرت انیشتین مطرح شد، و مدل استاندارد فیزیک زیراتمی.

لوکاس هنیگ، یکی از نویسندگان این مطالعه، دانشجوی دکترای فیزیک پیشرفته در ارلانگن-نورنبرگ، گفت: «نسبیت عام، جهان را در مقیاس کیهانی به خوبی توصیف می‌کند، و مدل استاندارد فیزیک ذرات، مقیاس میکروسکوپی را توصیف می‌کند؛ در واقع، ذرات منفرد، چگونه رفتار می‌کنند.

هر دو نظریه عدم تغییر لورنتز را درست فرض می کنند. اما در شرایط شدید، مانند اولین لحظات پس از انفجار بزرگ، این دو نظریه با هم ترکیب نمی شوند. این امر به شکار چندین دهه برای تئوری گرانش کوانتومی دامن زده است که آنها را متحد می کند. هنیگ گفت: برخی از کاندیداها، از جمله نسخه‌های نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی حلقه، پیشنهاد می‌کنند که فضا-زمان ممکن است در کوچک‌ترین مقیاس‌ها یک «دانه» پنهان داشته باشد - و هنیگ گفت که تغییر ناپذیری لورنتس، «یکی از اساسی‌ترین فرضیاتی که ما درباره جهان خود داریم، ممکن است نقض شود».

چنین تخلفی بسیار کوچک خواهد بود. برای تشخیص آن، فیزیکدانان به یک کاوشگر نیاز دارند که بتواند مسافت های طولانی را طی کند و به سختی با چیزی در طول مسیر تعامل داشته باشد. نوترینو را وارد کنید.

ارواح در حال تغییر شکل

نوترینوها ذرات تقریبا بدون جرمی هستند که در هر ثانیه از زمین عبور می کنند و بار صفر را حمل می کنند. آنها به سختی با چیزی تعامل دارند و در سه نوع هستند: نوترینوهای الکترونی، میون و تاو. با حرکت نوترینوها، آنها از نوعی به نوع دیگر در یک الگوی قابل پیش بینی تغییر شکل می دهند که فیزیکدانان آن را نوسان نوترینو می نامند.

یک ماژول نوری متصل به طناب های Dyneema واحد تشخیص. (اعتبار تصویر: همکاری KM3NeT) اگر تغییر ناپذیری لورنتس شکسته می شد، این نوسان تغییر می کرد و هر چه نوترینوها دورتر می رفتند، تأثیر آن بیشتر می شد. بنابراین، این تیم بر نوترینوهایی تمرکز کردند که هنگام برخورد پرتوهای کیهانی به جو در نقاط دیگر کره زمین ایجاد می‌شوند و سپس از طریق سیاره به سمت آشکارساز حرکت می‌کنند. برخی از نوترینوهای آزمایش شده از کل 7900 مایل (12700 کیلومتر) عرض زمین عبور کردند.

ORCA بخشی از تلسکوپ نوترینو KM3NeT است. هر یک از واحدهای تشخیص آن به بستر دریا لنگر انداخته و دارای 18 کره شیشه‌ای با 31 حسگر نور است. هنگامی که یک نوترینو با یک ذره در آب برخورد می کند، فلاش ضعیفی از نور آبی تولید می کند که حسگرها آن را می گیرند. Domi گفت که حسگرهای بسیاری در هر کره به تیم کمک می کند تا مشخص کند نور از کدام جهت می آید.

زمین خود به عنوان یک فیلتر عمل می کند. محققان فقط ذراتی را انتخاب کردند که در سیاره به سمت بالا حرکت می کردند و توانستند سیل ذرات دیگر را از جو که در غیر این صورت سیگنال را باتلاق می کردند، از بین ببرند. هنیگ گفت: «فقط نوترینوها می توانند از آن عبور کنند.

این تنظیمات با IceCube، آشکارساز برنده جایزه نوبل مدفون در یخ قطب جنوب متفاوت است. دومی گفت: «یخ نور را بیشتر از آب پراکنده می‌کند، اما از طرف دیگر، آب بیشتر از یخ نور را جذب می‌کند.

کوچک اما قدرتمند

محققان از 5828 نوترینو استفاده کردند که طی حدود 17 ماه بین سال‌های 2020 تا 2021 جمع‌آوری شده بود. آنها دریافتند که نوسانات با فیزیک استاندارد مطابقت دارند. یعنی اگر تخلف لورنتس وجود داشته باشد، باید ضعیف‌تر از محدودیت‌هایی باشد که تیم تعیین کرده است.

این محدودیت ها برای نظریه پردازان مهم است. هنیگ گفت: اگر مدلی "نقض ناپذیری لورنتس را پیش بینی کند [قوی تر از محدودیت های جدید]، داده ها آن را رد می کنند. در این صورت، می توانید کاملا مطمئن باشید که این مدل درست نیست."

این تیم همچنین اولین محدودیت های مستقیم را در مورد نوعی نقض که می تواند نوترینوهای میون و نوترینوهای تاو را متفاوت رفتار کند، تعیین کرد.

محدودیت‌های آشکارساز در چندین معیار کلیدی با محدودیت‌های Super-Kamiokande ژاپن که از 12 سال داده استفاده می‌کرد و از IceCube که دو سال از داده‌های آرایه کامل خود استفاده می‌کرد، قابل رقابت است.

داستان های مرتبط

پرانرژی ترین نوترینویی که تاکنون روی زمین کشف شده است در کف دریای مدیترانه کشف شده است

ستاره شناسان پیشنهاد ساخت یک آشکارساز نوترینو از اقیانوس آرام را دارند

یک ذره نادیده گرفته شده از طلوع زمان می تواند توضیح دهد که چرا همه چیز در جهان وجود دارد

هنیگ گفت: «از اینکه ما تنها با شش واحد شناسایی نتایج رقابتی داریم متعجبم. امروز 44 واحد در آب هستند و این همکاری قصد دارد تا سال 2030 108 را فعال کند.

بهترین آزمایشات ممکن است هنوز در راه باشد. به گفته دومی، از آنجایی که اثرات ناقض لورنتس با فاصله و انرژی رشد می‌کنند، نوترینوها از منابع کیهانی دور «در واقع بهترین نامزد برای انجام این نوع تحقیقات هستند. این تیم قصد دارد جستجو را با استفاده از آشکارساز خواهر ORCA، ARCA (تحقیق ذرات نجومی با کیهان در مغاک)، که در سواحل سیسیل قرار دارد و برای گرفتن آن مسافران کیهانی پر انرژی طراحی شده است، تکرار کند.

اگر فضا-زمان دانه ای داشته باشد، آن ذرات ممکن است جزو اولین کسانی باشند که آن را حس می کنند.

با آزمون آلبرت انیشتین ما ببینید چقدر در مورد آلبرت انیشتین می دانید!