Новая научная работа устанавливает самые строгие ограничения на квантовую гравитацию, которая считается ключом к созданию «теории всего» — универсальной модели мироздания, охватывающей как квантовую физику, так и классическую механику. Исследование основано на изучении свойств нейтрино с помощью подводного детектора KM3NeT в Средиземном море. Выводы, сделанные на основе показаний датчиков, указали на дальнейшие направления поиска.
Нейтринный телескоп KM3NeT — это крупная подводная обсерватория, предназначенная для обнаружения нейтрино по их взаимодействию с водой. Она состоит из двух детекторов. В эксперименте по поиску признаков квантовой гравитации использовался детектор ORCA, расположенный на глубине около 2450 метров у берегов Тулона (Франция).
Квантовая гравитация — это недостающее звено между общей теорией относительности и квантовой механикой. Пока она остаётся лишь гипотезой, потенциальным ключом к единой теории, способной объяснить как бесконечно большое, так и бесконечно малое. Решение этой головоломки может скрываться в скромном нейтрино — элементарной частице, не имеющей электрического заряда и почти невидимой, поскольку она крайне редко взаимодействует с материей, беспрепятственно проходя сквозь всё на нашей планете.
Именно поэтому нейтрино так трудно обнаружить. Однако в редких случаях частица может взаимодействовать, например, с молекулами воды на дне моря. В таком случае возникает так называемое черенковское излучение — слабое свечение, которое можно зафиксировать фотодетекторами. Толща воды отсеивает большинство элементарных частиц земного и космического происхождения, тогда как нейтрино беспрепятственно проникают на глубину.
Известно, что в процессе путешествия нейтрино осциллируют — изменяют свою массу. Однако в сумме их масса остаётся неизменной, находясь в состоянии квантовой суперпозиции. Это фундаментальное свойство нейтрино, которое также можно описать понятием когерентности. Если квантовая гравитация существует (а её предсказывают некоторые модели), то в ряде случаев она может нарушать когерентность нейтрино. Именно этот эффект — декогерентность — пытались зафиксировать детекторы KM3NeT.
Однако исследование не выявило отклонений в осцилляциях нейтрино. Они вели себя так, словно квантовой гравитации не существует. Но даже этот результат имеет важное значение, поскольку он накладывает новые, самые строгие на сегодняшний день ограничения на модели квантовой гравитации.
«Это, — объясняют учёные, — означает, что если квантовая гравитация действительно влияет на осцилляции нейтрино, то интенсивность этого влияния ниже пределов текущей чувствительности». Исследование установило верхнюю границу силы этого эффекта, которая теперь является более жёсткой, чем та, что была определена предыдущими экспериментами с атмосферными нейтрино. Оно также указывает направления для будущих исследований.
«Обнаружение декогеренции нейтрино стало бы большим прорывом, — поясняют исследователи. — До сих пор не было найдено никаких прямых доказательств существования квантовой гравитации, поэтому эксперименты с нейтрино привлекают всё больше внимания. Интерес к этой теме растёт. Люди, изучающие квантовую гравитацию, крайне заинтересованы в этом, поскольку, вероятно, декогеренцию нельзя объяснить никакими другими факторами».