Законы физики одинаковы в любой точке Вселенной. Этот принцип, который называют лоренц-инвариантностью, лежит в основе теории относительности. Но некоторые подходы к квантовой гравитации допускают, что пространство-время состоит из крошечных дискретных единиц, а не непрерывно. Если это так, законы физики могли бы нарушаться на очень малых масштабах.

Исследователи из международной коллаборации KM3NeT проверили эту возможность с помощью нейтринного телескопа KM3NeT/ORCA, расположенного на глубине около 2450 метров в Средиземном море недалеко от Тулона. Они проанализировали 5828 кандидатных событий атмосферных нейтрино, зарегистрированных за 1,4 года работы первых шести блоков детектирования. Наблюдаемые энергии и направления прихода частиц сравнили с теоретическими предсказаниями.

Нарушений не нашли. Результат опубликован в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Что именно проверили

Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом и могут проходить сквозь Землю. По пути они превращаются из одного типа, или «аромата», в другой. Вероятность таких превращений рассчитывается очень точно. Если бы реальные превращения отличались от предсказаний, это могло бы указывать на новую физику, включая нарушение лоренц-инвариантности.

Отсутствие сигнала не означает, что нарушение невозможно. Оно задаёт верхнюю границу: эффект, если он существует, должен быть меньше того, что способен заметить детектор.

Представим, что человек измеряет вес пакета на кухонных весах с ценой деления 5 граммов. Весы показывают ноль. Это не значит, что пакет ничего не весит. Это значит, что его вес меньше 5 граммов. Так же работает эксперимент KM3NeT: он не отменяет гипотезу о дискретном пространстве-времени, а сужает коридор, в котором ещё можно искать эффект.

Несмотря на раннюю частичную конфигурацию детектора, ограничения сопоставимы с результатами давно работающих экспериментов IceCube и Super-Kamiokande. Впервые установлены прямые ограничения на некоторые возможные эффекты нарушения лоренц-инвариантности, затрагивающие мюонное и тау-нейтрино и их осцилляции.

Соавтор исследования Лукас Хенниг, аспирант Эрлангенского центра астрофизики частиц, отметил, что даже сравнительно небольшой детектор позволяет проверять фундаментальные принципы физики. С ростом объёма данных станет возможным искать ещё меньшие эффекты. Второй соавтор, Альба Доми, добавила, что телескоп KM3NeT/ARCA у берегов Сицилии лучше подошёл бы для такой проверки, но астрофизических нейтринных событий для анализа пока недостаточно.

Для тех, кто готовится описывать подобные экспериментальные ограничения в научной работе, пригодятся услуги по написанию научных статей, где помогают корректно разделять результат, ограничение и интерпретацию.

Схема показывает, как атмосферные нейтрино превращаются по пути к телескопу ORCA и как сравнение наблюдений с теорией позволяет установить ограничения на нарушение лоренц-инвариантности

Фото: Blaque X / Pexels