Detectorul ORCA validează teoria relativității în Marea Mediterană

Un observator destinat detectării particulelor, scufundat la o adâncime de peste 1600 de metri în largul coastelor Franței, a testat cu succes un principiu fundamental al teoriei relativității lui Einstein. Studiul, publicat în revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, raportează că detectorul ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) a confirmat ideea că legile naturii rămân neschimbate, indiferent de orientarea în spațiu sau de viteza de deplasare a observatorului, conform preluării AGERPRES.

Echipa de cercetare nu a găsit niciun indiciu care să sugereze că această regulă - cunoscută sub numele de invarianță Lorentz - ar fi încălcată. Deși detectorul a funcționat inițial la o fracțiune din dimensiunea sa finală planificată, cercetătorii au stabilit limite care rivalizează cu cele obținute în cadrul unor experimente mult mai ample și cu o durată de operare mai îndelungată. Fizica modernă se bazează pe două teorii de succes: Teoria Relativității Generale, concepută de Albert Einstein în urmă cu peste 100 de ani, și Modelul Standard al fizicii subatomice. Lukas Hennig, coautor al studiului și doctorand în fizică avansată la Universitatea din Erlangen-Nürnberg, a explicat că relativitatea generală descrie Universul la scară cosmică, iar Modelul Standard descrie comportamentul particulelor individuale la scară microscopică.

Ambele teorii pornesc de la premisa că invarianța Lorentz este validă. Totuși, în condiții extreme, cum ar fi momentele imediat următoare Big Bang-ului, cele două teorii nu se mai potrivesc. Acest fapt a alimentat, timp de decenii, căutarea unei teorii a gravitației cuantice care să le unifice. Unele ipoteze, precum anumite variante ale teoriei stringurilor sau gravitația cuantică în buclă (loop quantum gravity), sugerează că, la scări extrem de mici, spațiu-timpul ar putea avea o structură granulară ascunsă. „Una dintre cele mai fundamentale presupuneri pe care le facem despre Universul nostru ar putea fi încălcată”, a precizat Hennig.

O astfel de încălcare ar fi, în orice caz, extrem de mică. Pentru a o detecta, fizicienii au nevoie de o sondă capabilă să parcurgă distanțe mari, interacționând aproape deloc cu materia întâlnită pe parcurs. Aici intervin neutrinii. Aceștia sunt particule fără masă, care traversează Pământul în fiecare secundă și nu posedă nicio sarcină electrică. Exista sub trei forme: neutrini electronici, muonici și tauonici. Pe măsură ce se deplasează, neutrinii se transformă dintr-un tip în altul, urmând un tipar previzibil numit oscilație a neutrinilor. Dacă invarianța Lorentz ar fi încălcată, acest proces de oscilație s-ar modifica, efectul devenind cu atât mai pronunțat cu cât neutrinii parcurg o distanță mai mare.

Echipa s-a concentrat pe neutrinii generați atunci când razele cosmice lovesc atmosfera în diverse puncte de pe glob, traversând apoi planeta până la detector. Unii dintre neutrinii analizați au străbătut întregul diametru al Pământului, de aproximativ 12.700 km. ORCA face parte din telescopul pentru neutrini KM3NeT. Fiecare unitate de detecție este ancorată pe fundul mării și conține 18 sfere de sticlă, fiecare echipată cu 31 de senzori de lumină. Când un neutron se ciocnește de o particulă din apă, se produce o sclipire slabă de lumină albastră, captată de senzori. Alba Domi, co-autoare a studiului, a explicat că numărul mare de senzori permite determinarea precisă a direcției din care a venit lumina.

Pământul însuși acționează ca un filtru. Cercetătorii au selectat doar particulele care se deplasau în sus, prin interiorul planetei, eliminând fluxul masiv de alte particule atmosferice. „Doar neutrinii pot trece”, a explicat Hennig. Configurația diferă de cea a IceCube, detectorul îngropat în gheața din Antarctica. „Gheța dispersează lumina mai mult decât apa, dar, pe de altă parte, apa absoarbe lumina mai mult decât gheța”, a precizat Domi, aspect care influențează modul de reconstrucție a energiei și traiectoriei unui neutrino.

Cercetătorii au analizat 5.828 de neutrini, colectați pe parcursul a aproximativ 17 luni, între 2020 și 2021. Au constatat că oscilațiile observate corespund fizicii standard. Dacă există o încălcare a invarianței Lorentz, aceasta trebuie să fie mai slabă decât limitele stabilite de echipă. Aceste limite sunt importante pentru teoreticieni: dacă un model prezice o încălcare mai pronunțată decât noile limite, datele îl infirmă. Echipa a stabilit, de asemenea, primele limite directe pentru un tip de încălcare care ar trata diferit neutrinii muonici și neutrinii tauonici.

Limitele stabilite de detector pentru mai mulți parametri cheie sunt comparabile cu cele obținute de experimentul japonez Super-Kamiokande (date colectate timp de 12 ani) și de IceCube (date colectate timp de doi ani). „Sunt surprins că am obținut rezultate competitive având doar șase unități de detecție”, a declarat Hennig. În prezent, în apă se află 44 de unități, iar până în anul 2030 vor fi instalate 108 unități active de detecție. Efectele care încalcă invarianța Lorentz se amplifică odată cu distanța și energia. Neutrinii proveniți din surse cosmice îndepărtate sunt, conform lui Domi, „cei mai buni candidați pentru a desfășura acest tip de cercetare”. Echipa intenționează să repete căutarea folosind detectorul frate al ORCA, ARCA, amplasat în largul coastelor Siciliei.