Einstein’ın yasalarını Akdeniz’in dibinden test etmek

Fizik yasaları evrenin her yerinde gerçekten aynı mıdır? Lorentz değişmezliği olarak bilinen bu temel prensip, Einstein’ın görelilik teorisinin kalbinde yer alır. Ancak yerçekimini kuantum fiziğiyle uzlaştırmaya çalışan bazı teoriler bunun her zaman geçerli olmayabileceğini öne sürüyor. Bu olasılığı araştırmak için, uluslararası KM3NeT işbirliğinden araştırmacılar, Akdeniz’in derinliklerinde bulunan bir nötrino teleskobu olan KM3NeT/ORCA tarafından tespit edilen 5.828 atmosferik nötrino adayı olayını analiz etti.

Herhangi bir ihlale dair kanıt bulamadılar, ancak müon ve tau nötrinolarının davranışlarındaki bazı olası farklılıklar üzerindeki ilk doğrudan kısıtlamalar da dahil olmak üzere, bu tür etkilerin ne kadar büyük olabileceğine dair yeni deneysel sınırlar koymayı başardılar. Sonuçlar şu adreste yayınlanıyor: Kozmoloji ve Astropartikül Fiziği Dergisi.

Uzay-zaman düşündüğümüzden farklı olabilir mi?

Böyle temel bir prensibi neden sorgulayasınız ki? Bunun bir nedeni, genel göreliliği kuantum fiziği ile bağdaştırabilecek bir kuantum kütleçekim teorisi arayışında yatmaktadır. Bazı teorik yaklaşımlar, normalde sürekli olduğunu düşündüğümüz uzay-zamanın aslında son derece küçük, ayrık birimlerden oluşabileceğini öne sürüyor. Bunun, potansiyel olarak Lorentz değişmezliğinin ihlalleri de dahil olmak üzere fizik yasaları üzerinde derin etkileri olabilir.

Erlangen Astropartikül Fiziği Merkezi’nde (ECAP), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg’de araştırmacı ve çalışmanın iki ilgili yazarından biri olan Alba Domi, “Uzay-zamanımızın sürekli mi yoksa kesikli mi olduğunu hâlâ bilmiyoruz” diye açıklıyor. “Lorentz değişmezliğinin ihlallerini aramak, bu olasılığı araştırmanın bir yoludur.”

Domi’nin açıkladığı gibi, nötrinolar bu tür yeni fiziğin işaretleri için özellikle umut verici araştırmalardır. Bu küçük parçacıklar maddeyle nadiren etkileşime girerek, Dünya’da bile çok büyük mesafeler kat etmelerine olanak tanıyor. Aynı zamanda dikkate değer bir özelliğe de sahipler: Seyahat ederken bir türden veya “tattan” diğerine geçebilirler; bu olaya nötrino salınımı denir. Bu dönüşümlerin olasılığı büyük bir hassasiyetle tahmin edilebilir. Gözlemlenen davranış bu tahminlerden farklıysa, bu, potansiyel olarak Lorentz değişmezliğinin ihlalini de içeren yeni fiziğin bir işareti olabilir.

Bu tür sapmaları araştırmak için araştırmacılar, KM3NeT/ORCA’nın ilk altı tespit ünitesiyle toplanan 1,4 yıllık verileri analiz ederek gözlemlenen nötrino enerjilerini ve varış yönlerini teorik tahminlerle karşılaştırdı.

Yeni sınırlar, yeni olanaklar

Araştırmacılar Lorentz değişmezliği ihlaline dair hiçbir kanıt bulamadılar. Ancak bu, bu tür ihlallerin imkansız olduğu anlamına gelmiyor: sonuçları, gözlemlerle çelişmeden belirli etkilerin ne kadar büyük olabileceğine dair yeni sınırlar koyuyor. Dedektörün erken, kısmi konfigürasyonu ile elde edilmiş olmasına rağmen, sonuçlar IceCube ve Super-Kamiokande gibi uzun süredir devam eden deneylerin sonuçlarıyla rekabet edebilecek düzeydedir. Ayrıca ilk kez, iki nötrino çeşidini (müon ve tau) içeren Lorentz değişmezliği ihlalinin belirli olası etkileri ve nötrinoların bunlar arasında salınım şekli üzerinde doğrudan sınırlar belirlediler.

Bu sonuçlar, verilerin toplandığı tarihte ORCA’nın inşaatın henüz erken aşamasında olduğu ve yalnızca altı tespit ünitesiyle çalıştığı göz önüne alındığında özellikle ümit vericidir. Dedektör halen tam planlanan konfigürasyonuna doğru genişletilmektedir.

Ph.D. Lukas Hennig, “Bu sonuçlar, KM3NeT/ORCA’nın nispeten küçük bir dedektörle bile fiziğin temel ilkelerini test etme potansiyelini gösteriyor” diyor. ECAP öğrencisi ve çalışmanın diğer ilgili yazarı. “Daha fazla veri ve genişleyen bir dedektörle daha küçük efektleri bile arayabileceğiz.”

Gelecekte araştırmacılar, araştırmalarını uzak astrofizik kaynaklardan gelen çok daha yüksek enerjili nötrinolara odaklanan KM3NeT/ARCA’yı da kapsayacak şekilde genişletmeyi umuyorlar. Lorentz değişmezliği ihlalinin bazı olası etkileri çok uzun mesafelerde ve daha yüksek enerjilerde daha belirgin hale geldiğinden, bu tür nötrinolar bu araştırmalar için özellikle umut verici olabilir. Domi, “ARCA bu tür araştırmalara özellikle uygun olabilir, ancak henüz böyle bir analizi gerçekleştirmek için yeterli astrofiziksel nötrino olayına sahip değiliz” diye açıklıyor.

Yüksek enerjili nötrino araştırmasının artan önemi, yakın zamanda IceCube Nötrino Gözlemevi’ne öncü katkılarından ve uzaydan yüksek enerjili nötrinoların keşfinden dolayı Francis Halzen’e verilen 2026 Nobel Fizik Ödülü ile tanındı.