Действительно ли законы природы универсальны и действуют единообразно во всей Вселенной? Этот основополагающий принцип, известный как лоренц-инвариантность, является краеугольным камнем теории относительности Эйнштейна. Тем не менее, некоторые гипотезы, направленные на согласование гравитации с квантовой механикой, допускают возможность отклонения от этого принципа.

В целях исследования данной возможности группа ученых из международного проекта KM3NeT проанализировали Нейтринный телескоп KM3NeT/ORCA, находящийся в Средиземном море, зафиксировал 5828 событий, связанных с атмосферными нейтрино. В ходе анализа не было выявлено признаков каких-либо отклонений, однако ученые смогли установить новые экспериментальные ограничения на величину потенциальных эффектов, включая первое прямое ограничение некоторых возможных различий в поведении мюонных и тау-нейтрино. Результаты исследования опубликованы в доложила о своих результатах в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).

Возможна ли ситуация, когда структура пространства-времени отличается от общепринятых представлений?

Почему стоит подвергать сомнению столь фундаментальный закон? Одна из причин заключается в стремлении разработать теорию квантовой гравитации, способную объединить общую теорию относительности и квантовую механику. Определенные теоретические модели предполагают, что пространство-время, которое мы обычно воспринимаем как непрерывное, может на самом деле состоять из чрезвычайно мелких дискретных элементов. Это потенциально может повлечь за собой изменения в физических законах, включая нарушение лоренц-инвариантности.

«На данный момент остается неясным, является ли наше пространство-время непрерывным или же оно может иметь дискретную структуру», — комментирует Альба Доми, исследователь из Эрлангенского центра физики астрочастиц (ECAP) при Университете Фридриха-Александра и один из авторов данной работы. «Поиск отклонений от лоренц-инвариантности представляет собой один из подходов к изучению этой возможности».

По словам Доми, нейтрино являются особенно полезным инструментом для поиска признаков новой физики. Эти мельчайшие частицы крайне редко взаимодействуют с материей, что позволяет им преодолевать значительные расстояния, в том числе и сквозь Землю. Кроме того, они обладают уникальной особенностью: в процессе движения могут изменять свой тип, или «аромат» (термин, используемый научным сообществом). Вероятность таких преобразований может быть спрогнозирована с высокой степенью точности. Если наблюдаемое поведение не соответствует прогнозам, это может свидетельствовать о наличии новой физики, в частности, о нарушении лоренц-инвариантности.

Для выявления подобных аномалий ученые провели анализ информации, полученной в течение полутора лет с использованием первых шести детекторов KM3NeT/ORCA. В ходе исследования сравнивались зарегистрированные энергии нейтрино и направления их прихода с теоретическими предсказаниями.

В процессе анализа не было выявлено признаков нарушения лоренц-инвариантности, однако это не исключает такую возможность полностью: полученные данные позволяют установить новые границы допустимых значений определенных эффектов, которые пока не противоречат наблюдаемым явлениям. Примечательно, что результаты, достигнутые на начальном этапе работы и при неполной настройке детектора, сопоставимы с данными, полученными в рамках более продолжительных экспериментов, таких как IceCube и Super-Kamiokande. Помимо этого, впервые были сформулированы прямые ограничения для некоторых потенциальных эффектов нарушения лоренц-инвариантности, связанных с двумя разновидностями нейтрино – мюонным и тау-нейтрино, а также с процессами их осцилляций.

Особую ценность представляют эти результаты, принимая во внимание тот факт, что на момент сбора данных установка ORCA находилась в стадии строительства и включала лишь 6 детекторов. «Полученные данные свидетельствуют о потенциале KM3NeT/ORCA в проверке основополагающих физических принципов даже при использовании относительно небольшого количества детекторов», – отметил Лукас Хенниг, один из авторов исследования. – По мере увеличения объема собранной информации и расширения детектора мы сможем выявлять еще более слабые эффекты».

В перспективе исследователи планируют расширить область своих изысканий на KM3NeT/ARCA, комплекс, предназначенный для изучения нейтрино с существенно более высокими уровнями энергии, исходящих из удаленных астрофизических объектов. Нейтрино такого рода представляются особенно ценными в контексте подобных поисков, поскольку некоторые потенциальные отклонения от принципа Лоренца начинают проявляться отчетливее на значительных расстояниях и при высоких энергиях. «ARCA обладает уникальными характеристиками для проведения данных исследований, однако в настоящее время у нас не хватает астрофизических нейтринных событий, чтобы выполнить подобный анализ», — подытожила Доми.