Et partikkeldetektorteleskop utenfor Toulon i Frankrike har satt Einsteins relativitetsteori på prøve – og ikke funnet tegn til sprekker i teorien.

Teleskopet heter Oscillation Research with Cosmics in the Abyss (ORCA) og er bygget for å oppdage nøytrinoer, nesten masseløse partikler som vanligvis farer gjennom materie uten å reagere. De første detektorenhetene ble senket ned til havbunnen rundt 2,4 kilometer under overflaten.

Forskerne brukte data fra de første seks enhetene til å teste et av grunnprinsippene i Einsteins relativitet: at naturlovene skal se like ut uansett hvilken retning man vender seg i, eller hvor raskt man beveger seg.

Ingen tegn til brudd på Lorentz-invarians

Prinsippet kalles Lorentz-invarians. Forskerne fant ingen tegn til at det er brutt. Selv om ORCA på dette tidspunktet bare var en liten del av den planlagte detektoren, satte teamet grenser som kan måle seg med langt større og eldre eksperimenter.

Resultatene ble publisert 4. november i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Moderne fysikk bygger blant annet på to svært vellykkede teorier: den generelle relativitetsteorien, som Albert Einstein utviklet for mer enn 100 år siden, og standardmodellen for partikkelfysikk.

«General relativity describes the universe well on a cosmic scale, and the Standard Model of particle physics describes the microscopic scale; really, the single particles, how they behave,»

Det sa medforfatter Lukas Hennig, doktorgradsstudent i avansert fysikk ved universitetet i Erlangen-Nürnberg.

Begge teoriene forutsetter at Lorentz-invarians gjelder. Samtidig passer teoriene ikke sammen i ekstreme situasjoner, som i de aller første øyeblikkene etter Big Bang. Det har ført til flere tiår med leting etter en teori om kvantegravitasjon som kan forene dem.

Enkelte teorier, blant annet varianter av strengteori og løkkekvantetyngdekraft, antyder at romtiden kan ha en skjult «kornstruktur» på de aller minste skalaene. I så fall kan Lorentz-invarians – en av de mest grunnleggende antakelsene om universet – være brutt, ifølge Hennig.

Nøytrinoer som kosmisk testverktøy

Et eventuelt brudd ville vært ekstremt lite. For å oppdage det trenger fysikerne derfor partikler som kan tilbakelegge store avstander og samtidig nesten ikke påvirkes av omgivelsene. Det gjør nøytrinoer velegnet.

Nøytrinoer har ingen elektrisk ladning og passerer gjennom jorden hvert sekund. De finnes i tre typer: elektronnøytrinoer, myonnøytrinoer og taunøytrinoer. Når de beveger seg, kan de endre seg fra én type til en annen i et forutsigbart mønster som kalles nøytrinooscillasjon.

Hvis Lorentz-invarians var brutt, ville dette mønsteret endres. Effekten skulle dessuten bli tydeligere jo lenger nøytrinoene hadde reist.

Forskerne undersøkte derfor nøytrinoer som ble skapt da kosmisk stråling traff atmosfæren på den andre siden av kloden. Deretter reiste partiklene opp gjennom jorden og frem til detektoren. Noen av nøytrinoene som ble analysert, hadde krysset hele jordens diameter – rundt 12 700 kilometer.

18 glasskuler per detektorenhet

ORCA er en del av KM3NeT, et stort nøytrinoobservatorium i Middelhavet. Hver detektorenhet er forankret i havbunnen og har 18 glasskuler med 31 lyssensorer i hver kule.

Når et nøytrino kolliderer med en partikkel i vannet, oppstår et svakt blått lysglimt. Sensorene registrerer glimtets retning og hjelper forskerne med å beregne hvor lyset kom fra.

Jorden fungerer samtidig som et filter. Forskerne tok bare med partikler som beveget seg opp gjennom planeten. På den måten kunne de luke bort den store mengden andre partikler fra atmosfæren som ellers ville ha overskygget signalet.

«Only the neutrinos can get through,»

sa Hennig.

Metoden skiller seg fra IceCube, det prisbelønte nøytrinoobservatoriet som ligger begravd i antarktisk is. Is sprer lyset mer enn vann, mens vann absorberer mer lys enn is. Det påvirker hvordan de to forskergruppene beregner nøytrinoenes energi og bane, forklarte Alba Domi.

Målingene passet med standardfysikken

Forskerne analyserte 5 828 nøytrinoer som ble samlet inn over rundt 17 måneder i 2020 og 2021. Oscillasjonene stemte med standardfysikken.

Det betyr ikke at et brudd på Lorentz-invarians er umulig. Det betyr at et eventuelt brudd må være svakere enn grensene forskerne klarte å sette med disse målingene.

Grensene er viktige for teoretikerne. Modeller som forutsier et sterkere brudd enn de nye grensene, kan utelukkes av dataene.

«If a model predicts a Lorentz invariance violation [stronger than the new limits], the data rule it out. In that case, you can be pretty sure that this model is not correct,»

sa Hennig.

Teamet satte også de første direkte grensene for en type brudd som skulle behandle myonnøytrinoer og taunøytrinoer forskjellig.

På flere sentrale mål er grensene fra ORCA konkurransedyktige med resultatene fra Japans Super-Kamiokande, som brukte tolv års data, og IceCube, som brukte to år med data fra hele detektoren.

«I'm surprised that we have competitive results with only six detection units,»

sa Hennig.

Skal undersøke mer energirike nøytrinoer

ORCA har i dag 44 detektorenheter i vannet. Samarbeidet planlegger å øke tallet til 108 innen 2030.

De mest følsomme testene kan likevel komme fra nøytrinoer som har reist fra fjerne kosmiske kilder. Effekter som skyldes et mulig brudd på Lorentz-invarians, forventes å bli sterkere både med avstand og energi.

«Actually the best candidates to do this kind of research,»

sa Domi om nøytrinoer fra slike fjerne kilder.

Forskerne planlegger å gjenta søket med ORCAs søsterdetektor ARCA, som ligger utenfor Sicilia. ARCA er utviklet for å fange opp de mer energirike nøytrinoene fra kosmos.