Wetenschappers zochten naar een ’nieuwe ruimte-tijdstructuur‘ diep onder de zuidpool Dit is wat ze hebben gevonden

210329_MOTHERBOARD_ABSTRACT_LOGO

ABSTRACT breekt geestverruimend wetenschappelijk onderzoek, toekomstige technologie, nieuwe ontdekkingen en grote doorbraken af.

Wetenschappers hebben in de structuur van de ruimtetijd gekeken om te zoeken naar nieuwe fysica die zou kunnen worden geschreven in de handtekeningen van ongrijpbare ’spookdeeltjes‘, met behulp van een gigantisch observatorium dat zich bijna anderhalve kilometer onder de Zuidpool uitstrekt, meldt een nieuwe studie.

Hoewel dit jarenlange experiment geen nieuwe fysica heeft gevonden in deze spectrale deeltjes, bekend als neutrino’s, vertegenwoordigt het nog steeds een ongekende blik in schimmige rijken van de kosmos die tot nu toe buiten beeld bleven. In het bijzonder werpt het nieuwe onderzoek licht op de zoektocht om zwaartekracht te beschrijven met behulp van kwantummechanica, omdat deze zogenaamde „kwantumzwaartekracht“ een belangrijke sleutel is tot het ontsluiten van enkele van de grootste mysteries van het universum.

De IceCube Neutrino Observatory, de grootste neutrinotelescoop ter wereld, staat al tien jaar op de Zuidpool. De detector bestaat uit duizenden sensoren die zo’n 2500 meter onder het Antarctische ijs reiken – ongeveer de lengte van 28 voetbalvelden – waar ze energetische neutrino’s vangen die hun oorsprong vinden in explosieve gebeurtenissen aan de rand van tijd en ruimte.

Nu heeft de IceCube-samenwerking, een team dat meer dan 400 wetenschappers omvat, de resultaten aangekondigd van een „zoektocht naar nieuwe ruimte-tijdstructuur“ die gebieden van het universum onderzocht die voorheen „ontoegankelijk waren voor menselijke technologieën, volgens een studie gepubliceerd op maandag in Natuurfysica.

„IceCube is echt speciaal, omdat het neutrino’s van heel ver en met heel hoge energie kan zien komen“, zegt Teppei Katori, een IceCube-teamlid en een experimenteel deeltjesfysicus aan King’s College London, evenals een co-auteur van de studie, in een gesprek met Motherboard.

“We gebruiken deze twee eigenschappen; dat neutrino’s de langste afstand in het universum en met de hoogste energie kunnen afleggen, „vervolgde hij. „Het is een grote veronderstelling, maar men denkt dat die deeltjes erg gevoelig zijn voor alles in de ruimtetijd.“

Neutrino’s zijn zo licht dat hun massa bijna niet waarneembaar is, waardoor ze de bijnaam ’spookdeeltjes‘ krijgen. Om deze reden kunnen ze moeiteloos door planeten, sterren en andere vormen van materie gaan zonder te vertragen of van richting te veranderen. Dit maakt neutrino’s erg moeilijk te detecteren met conventionele instrumenten, ook al zijn ze zo overvloedig in het universum dat er elke seconde ongeveer 100 biljoen van hen door je lichaam gaan.

De meeste neutrino’s rond de aarde worden door de zon weggeschoten, maar er is een andere klasse van hoogenergetische „astrofysische neutrino’s“ die afkomstig zijn van pyrotechnische objecten die „kosmische versnellers“ worden genoemd en die zich op vele miljarden lichtjaren van de aarde bevinden. Deze versnellers kunnen objecten zijn zoals blazars, galactische centra die stralen van licht en energie uitstoten, hoewel de exacte bronnen van astrofysische neutrino’s nog onbekend zijn.

Neutrino’s zijn er in drie verschillende „smaken“ die worden geassocieerd met fundamentele deeltjes in het universum die elektronen, muonen en taus worden genoemd. Wetenschappers hebben lang vermoed dat veranderingen in de smaak van astrofysische neutrino’s een venster zouden kunnen openen naar gebieden van ruimtetijd die de zogenaamde Lorentz-symmetrie zouden kunnen trotseren, wat een belangrijk fundament is van de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein.

Lorentz-symmetrie betekent in wezen dat de kosmos er hetzelfde uit zou moeten zien voor twee waarnemers die met een constante snelheid ten opzichte van elkaar reizen. Met andere woorden, het universum op grote schaal is in wezen isotroop en homogeen, ook al lijkt het op kleinere schaal gevarieerder, inclusief het planetaire perspectief dat we als mensen op aarde ervaren. Onderzoekers zijn geobsedeerd door het detecteren van schendingen van deze symmetrie omdat ze de lang gezochte ontbrekende schakel tussen zwaartekracht en het standaardmodel van deeltjesfysica dat de kwantummechanica regelt, kunnen blootleggen.

„De afgelopen 100 jaar hebben mensen geprobeerd bewijs te vinden dat Lorentz-symmetrie niet waar is, en niemand kan het vinden“, legt Katori uit. „Dit is een van de meest traditionele studies van de moderne natuurkunde – mensen die deze ruimtetijdtheorie uitdagen.“

„Als er iets mis is in de Lorentz-symmetrie of iets buiten de Lorentz-symmetrie ligt, heb je misschien voor het eerst een verband met de zwaartekracht in het standaardmodel,“ voegde hij eraan toe. „Kwantumzwaartekracht is iets waarvan veel mensen hopen dat het echt de volgende generatie is, of een open deur naar de volgende fase.“

Astrofysische neutrino’s bieden een veelbelovende test van de theorieën van Einstein, omdat ze onontgonnen gebieden van de ruimtetijd kunnen tegenkomen die worden beïnvloed door kwantumzwaartekracht. Neutrino’s die door dergelijke gebieden gaan, kunnen mogelijk op verrassende manieren van smaak veranderen, waardoor een record van ruimtetijdafwijkingen in hun handtekeningen zou kunnen worden gelezen door wetenschappers die ze op aarde vangen.

„Neutrino’s veranderen van smaak, zelfs zonder dit ruimtetijd-effect,“ merkte Katori op. “We zijn op zoek naar abnormale veranderingen, of onvoorspelbare manieren om te veranderen. Dat is de focus van dit onderzoek.”

IceCube’s zoektocht vond geen afwijkingen in de neutrino-smaakconversie, waardoor het idee van Lorentz-symmetrie voorlopig intact blijft. Hoewel Katori zei dat deze resultaten enigszins „teleurstellend“ waren – wie wil er nu geen nieuwe natuurkunde vinden? – is het nog steeds een belangrijke bevinding. IceCube was in staat om „ondubbelzinnig de parameterruimte van de door kwantumzwaartekracht gemotiveerde fysica te bereiken“, aldus de studie. Anders gezegd, de resultaten hebben een nieuw pad ingeslagen in het theoretische domein van kwantumzwaartekracht dat allerlei toepassingen zal hebben voor wetenschappers in verschillende velden.

„We geloven dat dit geweldige resultaten zijn“, zei Katori. „We hebben de hoogste gevoeligheid en we zijn ook het eerste experiment dat een regio bereikt – of ‚faseruimte‘, het technische woord – om er echt naar te zoeken“, verwijzend naar Lorentz-symmetrie-schendingen.

„Ik ben zo opgelucht dat het eindelijk is gepubliceerd,“ vervolgde hij. „Van het nemen van gegevens en andere problemen, het is gewoon zo’n lange inspanning.“

Zelfs als dit eerste experiment tot een bitterzoet einde komt, ontstaat er een nieuw begin onder het Antarctische ijs, evenals van andere instrumenten over de hele wereld. De IceCube-samenwerking is van plan om hun dataset opnieuw te doorzoeken met behulp van nieuwe machine learning-technieken die mogelijk afwijkingen kunnen opsporen die in dit onderzoek zijn gemist. Het team hoopt ook de omvang van IceCube drastisch uit te breiden om een ​​nog grotere dataset te verkrijgen die, eindelijk, sporen van ruimtetijdanomalieën kan onthullen die wijzen op kwantumzwaartekracht.

„Naar mijn mening is er nog een kans“, zei Katori. “Deze analyse is de eerste iteratie van dit type. We hebben hier een analysekader van gemaakt en de code ontwikkeld, maar in zekere zin hebben we niet het beste van het beste gedaan omdat de zaken nog in ontwikkeling zijn.”

„Ik geloof dat er een kans is om het te verbeteren,“ merkte hij op, „maar ik kan niet garanderen hoeveel.“

In de tussentijd laten de nieuwe resultaten zien dat het mogelijk is om de ruimtetijd zelf te onderzoeken met behulp van gladde deeltjes uit het verre heelal, wat een manier biedt om een ​​groot aantal andere potentiële modellen en experimenten te verkennen.

„Hoewel de motivatie van deze analyse is om te zoeken naar bewijs van kwantumzwaartekracht, is het formalisme dat we hebben gebruikt modelonafhankelijk, en onze resultaten kunnen grenzen stellen aan verschillende nieuwe natuurkundige modellen, waaronder een nieuwe kracht op lange afstand, neutrino-donkere energie koppeling, verstrooiing van neutrino-donkere materie, schending van het equivalentieprincipe enzovoort“, concludeerde de IceCube-samenwerking in het onderzoek.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert