Óriási áttörés küszöbén állunk, minden megváltozhat, amit a világról tudunk

A kvantumelmélet és a gravitáció egyesítése a mai fizika egyik legnagyobb kihívása. Egy dán kutatócsoport a Déli-sarkon végzett kísérletekkel a neutrínóktól várja a választ arra a kérdésre, valóban létezik-e a kvantumgravitáció.

Egy egzotikus részecske, a neutrínó lehet a megfejtés kulcsa

A Koppenhágai Egyetem kutatói egy nagyléptékű antarktiszi kísérlet keretében próbálnak bizonyítékot találni a gravitáció kvantumszintű létezésére. 

Kérdéseikre a neutrínóktól, e rendkívüli részecskéktől várják a választ, amelyek háborítatlanul képesek áthatolni a világűr mélységein.

A kvantumgravitáció létezésének árulkodó jeleit a Déli-sark közelében egy négyzetkilométernyi területen elhelyezett több ezer detektor vizslatja. A detektorok a távoli űrből a Földre érkező neutrínókat, ezeket a különös, elektromosan semleges és csaknem tömeg nélküli elemi részecskéket hivatottak érzékelni. A Koppenhágai Egyetem Niels Bohr Intézetének munkatársai részt vettek annak a módszernek a kifejlesztésében, amely a neutrínók vizsgálatából származó adatokat használja fel a kvantumgravitáció hipotézisének ellenőrzésére.

Ha úgy van, ahogy hisszük, és a kvantumgravitáció valóban létezik, a létének bizonyítása elősegíti majd a fizika jelenleg különálló két nagy ágának az egyesítését. Ma a klasszikus fizika írja le a normális környezetünkben megfigyelhető jelenségeket, például a gravitációt, míg az atomi világot kizárólag a kvantummechanika segítségével tudjuk jellemezni. 

A kvantumelmélet és a gravitáció egyesítése a fizika előtt álló egyik legjelentősebb megoldatlan kihívás.

Nagy örömünkre szolgálna, ha ehhez mi is hozzá tudnánk járulni” – nyilatkozta Tom Stuttard, a Niels Bohr Intézet (NBI) tanársegédje és a rangos Nature Physics szakfolyóiratban megjelent közlemény társszerzője. A cikkben közölt nagyszabású tanulmányt, amely több mint 300 ezer neutrínó megfigyelését dolgozza fel, az NBI kutatói amerikai kollégákkal együttműködésben végezték.

Neutrínók koncepciós rajza
Fotó: Science Photo Library via AFP / Science Photo Library via AFP/VICTOR HABBICK VISIONS/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Mégis változhat a változatlan - mi történik a neutrínókkal?

A tanulmány során megfigyelt neutrínók nem abba a legizgalmasabb fajtába tartoztak, amelyek a mélyűrben található távoli forrásokból érkeznek, hanem a Föld légkörében keletkeztek annak hatására, hogy az űrből bolygónkra záporozó nagy energiájú részecskék nitrogénnel vagy más molekulákkal ütköznek.

„A földi légkörből származó neutrínóknak a külső űrből érkező testvéreikhez képest megvan az a gyakorlati előnye, hogy lényegesen gyakoribbak. Módszertanunk validálásához nagy számú neutrínó megfigyelésére volt szükségünk. Ezzel most elkészültünk, így készen állunk a következő fázisra, amikor már csakugyan a távoli űrből származó neutrínókat fogjuk vizsgálni” – magyarázta Stuttard.

Az IceCube Neutrino Observatory (JégKocka Neutrínó Obszervatórium) az Antarktiszon található, közel az Amundsen-Scott Déli-sarki Állomáshoz. A legtöbb csillagászati és asztrofizikai megfigyelőállomással ellentétben az IceCube az égboltnak a vele átellenes, északi felét pásztázza. Míg ugyanis a neutrínók gond nélkül áthaladnak a bolygón, még annak forró és sűrű magván is, a többi részecskét a Föld kiszűri, ezért az északi félteke felől érkező neutrínókat remek jel-zaj arány mellett lehet megfigyelni.

Az IceCube létesítményt az USA-beli University of Wisconsin-Madison üzemelteti, de az IceCube együttműködésben világszerte több mint 300 tudós vesz részt, és a Koppenhágai Egyetem mellett több mint 50 további egyetemen működnek a neutrínók tanulmányozására szakosodott IceCube kutatóközpontok.

Mivel a neutrínók nem rendelkeznek töltéssel, és tömegük is alig van, sem az elektromágneses mezők, sem az erős magerők nem zavarják őket, így több milliárd fényévet képesek utazni a világegyetemen át úgy, hogy állapotuk változatlan marad. A kulcskérdés az, hogy vajon tényleg teljesen változatlan marad-e a neutrínó, miközben ezeket az óriási távolságokat átszeli, vagy apró változások jeleit mégiscsak mutatja.

Ha a neutrínók állapota – amiképpen azt sejtjük – csekély mértékben mégis megváltozik, az az első komoly bizonyítékot szolgáltatná a kvantumgravitáció létezése mellett

 – hangsúlyozza Stuttard.

Az IceCube Neutrino Observatory épülete
Fotó: IceCube Neutrino Observatory 

Pontosan mit is keresnek a tudósok?

Szükséges némi háttérinformáció annak megértéséhez, pontosan milyen változások után nyomoznak az NBI kutatói. Bár közönségesen részecskeként hivatkozunk a neutrínóra, kvantummechanikai szempontból egy neutrínó valójában három együttesen létező részecske szuperpozíciója. A neutrínóknak ezért három különböző konfigurációjuk – vagy „ízük”, ahogy a fizikusok nevezni szeretik – létezik: elektron, müon és tau. Hogy melyik „ízüket” figyeljük meg éppen, változik, miközben a neutrínók utaznak. Ezt a furcsa jelenséget neutrínó-oszcillációnak nevezik. Ez a kvantumviselkedés az ún. kvantumkoherenciának köszönhetően akár ezer kilométeren át vagy annál is hosszabban fennmarad.

„A legtöbb kvantumkísérletben a koherencia hamar megtörik. Az általános vélekedés szerint ennek nem a kvantumgravitáció az oka, hanem pusztán csak nagyon nehéz tökéletes körülményeket létrehozni a laboratóriumban. Például tökéletes vákuumot kellene teremtenünk, de néhány molekula mégis benn marad, és így tovább. A neutrínók viszont ebből a szempontból speciálisak, mivel egyszerűen nem hat rájuk a körülöttük lévő anyag. 

Ezért biztosak lehetünk benne, hogy ha koherenciatörést látunk, azt nem az emberkéz alkotta kísérleti körülmények tökéletlenségei okozzák

 – fejti ki Stuttard.

Arra a kérdésre, hogy a Nature Physics-ben publikált eredmények megfelelnek-e a szerzők eredeti várakozásainak, a kutató így válaszolt: „A tudományos projektek olyan ritka esete a miénk, ahol a kísérletek nem voltak egy létező elméleti keretbe helyezhetők. Vagyis nem tudtuk, mire számítsunk. Tudtuk viszont, milyen általános tulajdonságokat kell keresnünk, amelyekkel a gravitáció kvantumelméletének az elvárásaink szerint bírnia kell.”

A gravitáció és a kvantummechanika egyesítése feje tetejére állíthatná a fizika tudományát
Fotó: Science Photo Library via AFP

„Bár kétségtelenül voltak olyan reményeink, hogy látunk majd a kvantumgravitációhoz kapcsolható változásokat, az, hogy egyelőre nem láttunk ilyeneket, egyáltalán nem jelenti azt, hogy nem léteznek. Amikor egy légkörben keletkezett neutrínót detektálunk az antarktiszi állomáson, az épp csak a Földön utazott át, vagyis nagyjából 12,700 kilométert tett meg, ami roppant kicsiny távolság azokhoz képest, amiket az Univerzum távoli sarkaiból érkező neutrínók átszelnek. A jelek szerint sokkal nagyobb távolságot kell utazniuk a neutrínóknak ahhoz, hogy ha csakugyan létezik a kvantumgravitáció, a hatása érzékelhetővé váljon” – érvelt Stuttard, újból hangsúlyozva, hogy a mostani tanulmány célja a metodika beállítása volt.

„Éveken át sok fizikus kételkedett már abban is, hogy egyáltalán kivitelezhető olyan kísérlet, amely a kvantumgravitáció létezését firtatja. 

Elemzésünk most megmutatta, hogy ez igenis lehetséges, és a csillagászati neutrínókkal végzett jövőbeni méréseinkkel, valamint az elkövetkező évtizedben várható, még pontosabb neutrínódetektorokkal felfegyverkezve valós reményünk lehet arra, hogy végre választ kapunk erre az alapvető kérdésre

 – zárta a beszélgetést Stuttard.