Cercetătorii testează principiile lui Einstein cu un telescop cu neutrini din Marea Mediterană
Legile fizicii sunt cu adevărat aceleași oriunde în univers? Acest principiu fundamental, cunoscut sub numele de invarianță Lorentz, stă la baza teoriei relativității a lui Einstein. Totuși, unele teorii care încearcă să reconcilieze gravitația cu fizica cuantică sugerează că acesta ar putea să nu fie valabil în orice condiții.
Pentru a investiga această posibilitate, cercetătorii din colaborarea internațională KM3NeT au analizat 5.828 de evenimente candidate de neutrini atmosferici detectate de KM3NeT/ORCA, un telescop cu neutrini situat în adâncurile Mării Mediterane. Ei nu au găsit nicio dovadă a unei încălcări a invarianței Lorentz, dar au reușit să stabilească noi limite experimentale privind amploarea unor astfel de efecte, inclusiv primele constrângeri directe asupra anumitor diferențe posibile în comportamentul neutrinilor muonici și tau. Rezultatele au fost publicate în Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
De ce este pus sub semnul întrebării un principiu atât de fundamental
Unul dintre motivele acestei investigații îl reprezintă căutarea unei teorii a gravitației cuantice, capabilă să reconcilieze relativitatea generală cu fizica cuantică. Unele abordări teoretice sugerează că spațiu-timpul, considerat în mod obișnuit continuu, ar putea fi alcătuit din unități extrem de mici și discrete. Acest lucru ar putea avea implicații profunde pentru legile fizicii, inclusiv pentru posibile încălcări ale invarianței Lorentz.
„Încă nu știm dacă spațiu-timpul nostru este continuu sau ar putea fi discret”, explică Alba Domi, cercetătoare la Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, și unul dintre cei doi autori corespondenți ai studiului. „Căutarea încălcărilor invarianței Lorentz este o modalitate de a investiga această posibilitate.”
Neutrinii sunt sonde promițătoare pentru semnele unei astfel de fizici noi, explică Domi. Aceste particule minuscule interacționează rareori cu materia, ceea ce le permite să parcurgă distanțe uriașe, chiar și prin Pământ. De asemenea, au o proprietate remarcabilă: se pot transforma dintr-un tip, sau „arome”, în altul pe parcursul deplasării, un fenomen cunoscut sub numele de oscilație a neutrinilor. Probabilitatea acestor transformări poate fi prezisă cu mare precizie. Dacă comportamentul observat diferă de aceste predicții, ar putea fi un semn al unei fizici noi, inclusiv al unei posibile încălcări a invarianței Lorentz.
Analiza datelor și rezultatele obținute
Pentru a căuta astfel de abateri, cercetătorii au analizat 1,4 ani de date colectate cu primele șase unități de detecție ale KM3NeT/ORCA, comparând energiile și direcțiile de sosire ale neutrinilor observați cu predicțiile teoretice.
Ei nu au găsit nicio dovadă a încălcării invarianței Lorentz. Totuși, acest lucru nu înseamnă că astfel de încălcări sunt imposibile: rezultatele lor stabilesc noi limite privind amploarea anumitor efecte, fără a contrazice observațiile. Deși obținute cu o configurație timpurie și parțială a detectorului, rezultatele sunt competitive cu cele ale unor experimente de lungă durată precum IceCube și Super-Kamiokande.
Pentru prima dată, cercetătorii au stabilit și limite directe asupra anumitor efecte posibile ale încălcării invarianței Lorentz care implică două arome de neutrini, muon și tau, și modul în care neutrinii oscilează între ele. Aceste rezultate sunt deosebit de promițătoare având în vedere că, la momentul colectării datelor, ORCA se afla încă într-o etapă incipientă de construcție, operând cu doar șase unități de detecție. Detectorul este încă în curs de extindere către configurația sa completă planificată.
„Aceste rezultate arată potențialul KM3NeT/ORCA de a testa principii fundamentale ale fizicii, chiar și cu un detector relativ mic”, spune Lukas Hennig, doctorand la ECAP și celălalt autor corespondent al studiului. „Cu mai multe date și un detector în expansiune, vom putea căuta efecte și mai mici.”
Perspective viitoare
În viitor, cercetătorii speră să își extindă investigațiile către KM3NeT/ARCA, care se concentrează asupra neutrinilor de energie mult mai mare care sosesc din surse astrofizice îndepărtate. Astfel de neutrini ar putea fi deosebit de promițători pentru aceste căutări, deoarece unele efecte posibile ale încălcării invarianței Lorentz devin mai pronunțate pe distanțe foarte lungi și la energii mai mari.
„ARCA ar putea fi deosebit de potrivit pentru acest tip de cercetare, dar nu avem încă suficiente evenimente de neutrini astrofizici pentru a realiza o astfel de analiză”, explică Domi.
Importanța crescândă a cercetării neutrinilor de înaltă energie a fost recunoscută recent prin Premiul Nobel pentru Fizică 2026, acordat lui Francis Halzen pentru contribuțiile sale pionierate la Observatorul de Neutrini IceCube și pentru descoperirea neutrinilor de înaltă energie din spațiu.
