A kvantumgravitáció után kutatnak az Antarktiszon

A Déli-sark közelében egy négyzetkilométeren elhelyezett több ezer érzékelő próbálja megválaszolni a fizika egyik legnagyobb kérdését: létezik-e a kvantumgravitáció? A detektorok neutrínókat, vagyis elektromos töltés és szinte tömeg nélküli részecskéket fognak fel, és segítenek a kutatóknak abban, hogy kiderüljön, hat-e rájuk kvantumszinten is gravitációs erő.

Ha a kvantumgravitáció létezik, az segíthet a fizika két világának egyesítésében. Míg a klasszikus fizika a normál környezetünkben előforduló nagyobb dolgok viselkedését tudja leírni, és ezzel együtt például a gravitációt is, az atomi világ a kvantummechanika szabályai szerint működik – a kvantumfizikában azonban nem sikerült még megfigyelni a gravitációt, ami jelenleg az egyik legkiemelkedőbb kihívás az alapvető fizikában. A kvantumgravitáció tehát az elméleti fizika egy ága, melynek fő célja a természetben fellelhető alapvető kölcsönhatások közül hármat leíró kvantummechanika és a negyedik kölcsönhatást, a gravitációt leíró általános relativitáselmélet egyesítése.

A Nature Physics szaklapban megjelent tanulmány most azt írja le, a Koppenhágai Egyetem Niels Bohr Intézetének szakértői hogyan tanulmányoztak 300 000 neutrínót annak érdekében, hogy megfigyeljék: hat-e rájuk valamilyen erő, ahogyan áthaladnak a Földön. A kutatáshoz nem a világűrből, hanem az északi féltekéről érkező neutrínókat vizsgáltak, amelyek a Föld légkörében keletkeztek, amikor az űrből származó nagy energiájú részecskék nitrogénnel vagy más molekulákkal ütköztek. Ennek az a gyakorlati előnye, hogy az ilyen neutrínók sokkal gyakoribbak, mint a világűrből származó testvéreik – a kutatóknak pedig rengetegre volt belőlük szükség ahhoz, hogy megfelelő méréseket végezhessenek.

Az IceCube Neutrínó Obszervatóriumban azért az északi féltekéről érkező részecskéket vizsgálják, mert azok tökéletesen képesek áthatolni bolygónkon – még a forró, sűrű magján is –, más részecskékkel ellentétben pedig nem fékezi őket semmi, hiszen nincs töltésük, és tömegük is alig van. Akár több milliárd fényévet is utazhatnak az univerzumon keresztül anélkül, hogy bármi hatással lenne rájuk.

A kulcskérdés az, hogy a neutrínó tulajdonságai valójában teljesen változatlanok-e a nagy távolságok megtétele során, vagy apró változások mégis észrevehetők. Ha ugyanis sikerül változásokat mérni, az lehet az első közvetlen bizonyíték a kvantumgravitáció létezésére.

Amit részecskének nevezünk ugyanis, az tulajdonképpen ebben az esetben három részecske együtt, vagyis szuperpozíció. A neutrínónak három alapvető konfigurációja lehet (ezt fizikusok három íznek nevezik): az elektron, a müon és a tau. Azt, hogy ezek közül melyikben figyeljük meg a változásokat a neutrínó mozgása során, neutrínó-oszcillációnak nevezzük. Ez a kvantumviselkedés több ezer kilométeren keresztül vagy még tovább is fennmaradhat, ennek a neve pedig kvantumkoherencia.

A legtöbb kísérletben a koherencia hamar megbomlik, de ezt nem a kvantumgravitáció okozza – egyszerűen nagyon nehéz tökéletes körülményeket teremteni a megfigyeléshez egy laborban. Tökéletes vákuumra van szükség, de általában valahogy sikerül besurrannia néhány keresetlen molekulának. Ezzel szemben a neutrínók abban különlegesek, hogy a körülöttük lévő anyagok egyszerűen nem befolyásolják őket, így tudjuk, hogy ha a koherencia megbomlik, az nem az ember alkotta berendezés hiányosságai vagy hibái miatt lesz.

A tanulmány azonban most arról számol be, hogy egyelőre nem sikerült bizonyítékot találni a kvantumgravitáció létezésére – a kísérletnek azonban ebben a szakaszban nem is ez volt a célja. Bár reménykedtek a pozitív eredményekben, egyelőre egy módszertant akartak kialakítani a kutatáshoz. A szakértők szerint valószínűleg túl rövid az a távolság, amit a neutrínók az északi féltekétől a déliig bejárnak, és sokkal nagyobb távolságra van szükség ahhoz, hogy a kvantumgravitáció hatást gyakoroljon a neutrínókra – már ha valóban létezik persze.

A jövőben a világűrből érkező neutrínókat is szeretnék vizsgálni, illetve törekednek még precízebb detektorok kialakítására, hogy választ kapjanak a fizika egyik legfontosabb kérdésére.