Нейтринный телескоп ORCA, установленный на глубине около 2,4 км в Средиземном море у побережья Франции, не обнаружил нарушений одного из ключевых принципов теории относительности Эйнштейна. Учёные проанализировали данные первых шести детектирующих модулей и показали, что даже небольшой массив позволяет устанавливать ограничения, сопоставимые с результатами гораздо более крупных экспериментов.
Проверка лоренц-инвариантности
ORCA входит в состав нейтринной обсерватории KM3NeT. Детектор регистрирует нейтрино — почти невесомые незаряженные частицы, которые слабо взаимодействуют с веществом и способны проходить сквозь Землю. В исследовании использовали нейтрино, возникшие при столкновениях космических лучей с атмосферой и пролетевшие через планету к детектору. Некоторые из них преодолели расстояние около 12 700 км.
Учёные проверяли лоренц-инвариантность — предположение о том, что законы природы не меняются в зависимости от направления движения наблюдателя или его скорости. Это базовое положение лежит в основе как общей теории относительности, так и Стандартной модели физики элементарных частиц. Некоторые подходы к квантовой гравитации допускают, что на чрезвычайно малых масштабах пространство-время может иметь «зернистую» структуру, из-за чего лоренц-инвариантность была бы нарушена.
Если бы такое нарушение существовало, оно изменило бы характер нейтринных осцилляций — превращений нейтрино одного типа в другой. Эффект должен был бы становиться заметнее по мере увеличения пройденного расстояния. Чтобы отделить нейтрино от других атмосферных частиц, исследователи отбирали события, в которых частицы двигались вверх через Землю: остальные частицы планета задерживает.
Данные шести модулей
Каждый модуль ORCA закреплён на морском дне и содержит 18 стеклянных сфер. В каждой сфере размещены 31 световой сенсор. Когда нейтрино сталкивается с частицей в воде, возникает слабая вспышка синего света, по которой учёные восстанавливают направление движения и энергию частицы.
За примерно 17 месяцев в 2020–2021 годах шесть первых модулей зарегистрировали 5828 нейтрино. Их осцилляции соответствовали предсказаниям стандартной физики. Это означает, что если нарушение лоренц-инвариантности существует, то оно слабее установленных в работе пределов. Исследователи также впервые напрямую ограничили возможный эффект, при котором мюонные и тау-нейтрино вели бы себя по-разному.
Полученные ограничения сопоставимы с результатами японского детектора Super-Kamiokande, использовавшего 12 лет наблюдений, и IceCube, который анализировал два года данных полного массива. «Я удивлён, что мы получили сопоставимые результаты всего с шестью детектирующими модулями», — отметил соавтор работы Лукас Хенниг.
Сейчас в воде работают 44 модуля ORCA, а к 2030 году коллаборация планирует довести их число до 108. Следующий этап предусматривает поиск аналогичных эффектов с помощью детектора ARCA у берегов Сицилии. Он рассчитан на регистрацию более энергичных нейтрино космического происхождения, для которых возможные нарушения лоренц-инвариантности должны проявляться сильнее. Результаты исследования опубликованы 4 ноября в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
