Физики не нашли следов квантовой гравитации по ароматам нейтрино

Физики предложили новый метод обнаружения квантовой гравитации по ароматам нейтрино. 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. Работа опубликована в Nature Physics.

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.

Несмотря на неудачу с квантовой гравитацией, коллаборация IceCube уже сделала несколько важных открытий, например, нашла источники внегалактических нейтрино и ограничила радиус слабого взаимодействия.