Op jacht naar bewijs van het bestaan van quantumzwaartekracht op de Zuidpool

Wetenschappers van de Universiteit van Kopenhagen dragen bij aan een grootschalig experiment op de Zuidpool om te achterhalen of zwaartekracht ook op het kwantumniveau bestaat. Een buitengewoon deeltje dat ongestoord door de ruimte kan reizen, lijkt het antwoord te bevatten.

Verschillende duizenden sensoren, verspreid over een vierkante kilometer nabij de Zuidpool, hebben als taak om een van de grote openstaande vragen in de natuurkunde te beantwoorden: bestaat quantumzwaartekracht? De sensoren monitoren neutrino's - deeltjes zonder elektrische lading en bijna zonder massa - die vanuit de ruimte op aarde aankomen. Een team van het Niels Bohr Instituut (NBI) van de Universiteit van Kopenhagen heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van de methode die neutrino-gegevens gebruikt om te onthullen of quantumzwaartekracht bestaat.

"Als quantumzwaartekracht inderdaad bestaat, zal dit bijdragen aan het verenigen van de huidige twee werelden in de natuurkunde. Vandaag de dag beschrijft de klassieke natuurkunde de verschijnselen in onze normale omgeving, zoals zwaartekracht, terwijl de atomaire wereld alleen kan worden beschreven met behulp van de kwantummechanica. De vereniging van de kwantumtheorie en de zwaartekracht blijft een van de grootste uitdagingen in de fundamentele natuurkunde. Het zou zeer bevredigend zijn als we daaraan kunnen bijdragen," zegt Tom Stuttard, universitair hoofddocent aan NBI.

Tom Stuttard is medeauteur van een wetenschappelijk artikel dat vandaag is gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Nature Physics. Het artikel presenteert resultaten van een grootschalige studie door het NBI-team en Amerikaanse collega's. Meer dan 300.000 neutrino's zijn bestudeerd. Deze neutrino's zijn echter niet van het meest interessante type, afkomstig van bronnen in de diepe ruimte. De neutrino's in deze studie zijn gecreëerd in de atmosfeer van de aarde, doordat hoogenergetische deeltjes uit de ruimte botsten met stikstof of andere moleculen.

"Het bekijken van neutrino's die afkomstig zijn van de atmosfeer van de aarde heeft het praktische voordeel dat ze veel talrijker zijn dan hun broertjes en zusjes uit de ruimte. We hadden gegevens van veel neutrino's nodig om onze methodologie te valideren. Dit is nu gelukt. Daarom zijn we klaar om de volgende fase in te gaan, waarin we neutrino's uit de ruimte diep gaan bestuderen," zegt Tom Stuttard.

De IceCube Neutrino-observatorium is gelegen naast het Amundsen-Scott South Pole Station in Antarctica. In tegenstelling tot de meeste andere astronomie- en astrofysicafaciliteiten werkt IceCube het beste voor het observeren van de ruimte aan de tegenovergestelde kant van de aarde, wat betekent het noordelijk halfrond. Dit komt doordat terwijl het neutrino perfect in staat is om onze planeet te doordringen - en zelfs de hete, dichte kern ervan - andere deeltjes zullen worden gestopt, en het signaal is dus veel schoner voor neutrino's die uit het noordelijk halfrond komen.

De IceCube-faciliteit wordt beheerd door de Universiteit van Wisconsin-Madison, VS. Meer dan 300 wetenschappers uit landen over de hele wereld zijn betrokken bij de IceCube-samenwerking. De Universiteit van Kopenhagen is een van de meer dan 50 universiteiten met een IceCube-centrum voor neutrino-onderzoek.

Aangezien het neutrino geen elektrische lading heeft en bijna massaloos is, wordt het niet verstoord door elektromagnetische en sterke nucleaire krachten, waardoor het miljarden lichtjaren door het heelal kan reizen in zijn oorspronkelijke staat.

De cruciale vraag is of de eigenschappen van het neutrino inderdaad volledig onveranderd zijn terwijl het grote afstanden aflegt, of dat er toch kleine veranderingen merkbaar zijn.

"Als het neutrino de subtiele veranderingen ondergaat die we vermoeden, zou dit het eerste sterke bewijs van quantumzwaartekracht zijn," zegt Tom Stuttard.

Om te begrijpen naar welke veranderingen in de eigenschappen van het neutrino het team op zoek is, is enige achtergrondinformatie nodig. Hoewel we het als een deeltje beschouwen, is wat we waarnemen als een neutrino eigenlijk drie deeltjes die samen worden geproduceerd, bekend in de kwantummechanica als superpositie. Het neutrino kan drie fundamentele configuraties hebben - smaken zoals ze door de natuurkundigen worden genoemd - die elektron, muon en tau zijn. Welke van deze configuraties we waarnemen, verandert naarmate het neutrino reist, een werkelijk vreemd fenomeen dat bekend staat als neutrino-oscillaties. Dit kwantumgedrag wordt gehandhaafd over duizenden kilometers of meer, wat wordt aangeduid als kwantumcoherentie.

"In de meeste experimenten wordt de coherentie al snel verbroken. Maar dit wordt niet verondersteld te worden veroorzaakt door quantumzwaartekracht. Het is gewoon heel moeilijk om perfecte omstandigheden te creëren in een laboratorium. Je wilt een perfect vacuüm, maar op de een of andere manier slagen een paar moleculen erin om binnen te glippen, enzovoort. In tegenstelling hiermee zijn neutrino's speciaal omdat ze gewoon niet worden beïnvloed door de materie om hen heen, dus we weten dat als de coherentie wordt verbroken, dit niet te wijten zal zijn aan tekortkomingen in de door de mens gemaakte experimentele opstelling," legt Tom Stuttard uit.

Gevraagd of de resultaten van de studie, gepubliceerd in Nature Physics, zoals verwacht waren, antwoordt de onderzoeker:

"We bevinden ons in een zeldzame categorie van wetenschappelijke projecten, namelijk experimenten waarvoor geen gevestigd theoretisch kader bestaat. Daarom wisten we gewoon niet wat we konden verwachten. We wisten echter dat we konden zoeken naar enkele van de algemene eigenschappen die we zouden kunnen verwachten van een kwantumtheorie van zwaartekracht."

"Hoewel we hoopten veranderingen te zien die verband houden met quantumzwaartekracht, sluit het feit dat we ze niet hebben gezien helemaal niet uit dat ze echt zijn. Wanneer een atmosferisch neutrino wordt gedetecteerd in de Antarctische faciliteit, heeft het doorgaans door de aarde gereisd. Wat ongeveer 12.700 km is - een zeer korte afstand vergeleken met neutrino's die afkomstig zijn uit het verre heelal. Blijkbaar is er een veel langere afstand nodig voor quantumzwaartekracht om invloed te hebben, als het bestaat," zegt Tom Stuttard, eraan toevoegend dat het belangrijkste doel van de studie was om de methodologie vast te stellen:

"Jarenlang twijfelden veel natuurkundigen of experimenten ooit quantumzwaartekracht zouden kunnen testen. Onze analyse toont aan dat het inderdaad mogelijk is, en met toekomstige metingen met astrofysische neutrino's, evenals meer nauwkeurige detectoren die worden gebouwd in het komende decennium, hopen we eindelijk antwoord te kunnen geven op deze fundamentele vraag."