Физики не нашли следов квантовой гравитации по ароматам нейтрино

31 октября 2022

Физики предложили новый метод обнаружения квантовой гравитации по ароматам нейтрино (в квантовой физике слово "аромат" означает одну из характеристик элементарных частиц).

Ученые проанализировали соотношения различных ароматов нейтрино, зафиксированных обсерваторией IceCube с 2010 по 2018 год. Аномалий, которые бы подтвердили влияние квантовой гравитации, ученые не нашли. Тем не менее им удалось установить численные пределы для некоторых моделей квантовой гравитации.

Ученые предполагают, что гравитация, как и другие фундаментальные взаимодействия, возникает из-за взаимодействия элементарных частиц и подчиняется законам квантовой механики. Квантовые эффекты для гравитации должны проявляться на столь малых планковских расстояниях (10^-35 метра) и энергиях (10¹⁹ гигаэлектронвольт), что экспериментально частицы с такими энергиями нельзя получить даже на Большом адронном коллайдере. Поэтому ученые придумывают способы косвенного измерения эффектов квантовой гравитации. Например, с помощью элементарных частиц нейтрино, которые долго живут и практически не взаимодействуют с веществом, однако теоретически могут подвергаться воздействию квантовой гравитации, из-за чего их поведение будет отличаться от предсказанного в рамках физики элементарных частиц. Ученые уже искали аномалии в распределении энергий нейтрино и их времени полета от космического источника до детектора, но следы квантовой гравитации не обнаружили.

Физики из коллаборация IceCube предложили еще один способ детектирования квантовой гравитации с помощью анализа того, как изменяются ароматы нейтрино. Ученые предположили, что ее взаимодействие с частицами может проявиться в аномальном соотношении концентраций ароматов нейтрино. Для проверки гипотезы исследователи проанализировали ароматы и энергии этих частиц, зарегистрированных нейтринной обсерваторией IceCube c 2010 по 2018 годы.

Существует три аромата нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Частицы трех ароматов имеют различную массу и могут превращаться друг в друга. Эволюцию изменения ароматов можно описать с помощью гамильтониана нейтрино. Гамильтониан позволяет получить все энергетические состояния нейтрино и показывает их изменение во времени. Ученые добавили в гамильтониан слагаемые, которые учитывают энергию нейтринных переходов и эффекты квантовой гравитации, представляющие взаимодействие нейтрино с пространством-временем. Таким образом, если бы последние слагаемые оказались ненулевыми, физики бы подтвердили влияние квантовой гравитации на нейтрино.

Для анализа ученые использовали данные, полученные антарктической нейтринной обсерваторией IceCube. Всего за семь с половиной лет удалось зафиксировать 60 событий, в которых энергия частиц превышала 60 тераэлектронвольт. Чем выше энергия — тем сильнее должны проявляться эффекты квантовой гравитации. Из 60 событий где-то две трети соответствовали электронным нейтрино, почти одна треть мюонным нейтрино и два события тау-нейтрино.

Затем физики смоделировали распределения концентраций ароматов, учитывая различные значения коэффициентов у слагаемых гамильтониана. Теоретические результаты для моделей, в коэффициентах которых не учитывалась квантовая гравитация, попали в 95-процентный доверительный интервал экспериментальных данных. Таким образом, отклонений, вызванных квантовой гравитацией ученые не обнаружили. Однако в этот интервал попали и некоторые модели квантовой гравитации. Также физики рассчитали числовые пределы для коэффициентов гамильтониана этих моделей.

Полученные ограничения на потенциальное взаимодействие нейтрино с квантовой гравитацией будут полезны и для поиска влияния темной энергии на нейтрино. Для обнаружения квантовой гравитации, похоже, требуется больше наблюдений и нейтрино с более высокими энергиями.

источник - https://www.atomic-energy.ru/news/2022/10/31/129826