来自南极的中微子悄悄揭开量子引力的秘密

哥本哈根大学团队参与南极大型实验，努力探寻量子层面是否也存在引力；一种能够不受干扰地穿越空间的非凡粒子似乎蕴含着答案。数千个传感器分布在南极附近一平方公里的范围内，它们的任务是回答物理学中一个悬而未决的大问题：量子引力是否存在？这些传感器监测从外太空到达地球的中微子--不带电荷、几乎没有质量的粒子。

哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所（NBI）的一个团队参与开发了利用中微子数据揭示量子引力是否存在的方法。

冰立方中微子天文台俯瞰图，该天文台埋藏在南极南极冰层下 1.5 至 2.5 千米深处。冰立方实验室是地表以上唯一可见的设备，里面的计算机负责收集冰层中 5000 多个光传感器的数据。图片来源：冰立方合作组织/NSF

"如果我们相信量子引力确实存在，这将有助于把目前物理学中的两个世界统一起来。今天，经典物理学描述了我们周围的现象，如万有引力，而原子世界只能用量子力学来描述。量子理论和引力的统一仍然是基础物理学中最突出的挑战之一。如果我们能为此做出贡献，那将会非常令人满意，"NBI 助理教授 Tom Stuttard 说。

最后，DOM 降入阵列，开始采集数据。资料来源：马克-克拉斯伯格，冰立方/NSF

Tom Stuttard 是著名期刊《自然物理》（Nature Physics）今天发表的一篇科学文章的共同作者。文章介绍了 NBI 团队和美国同事进行的一项大型研究的结果。已经对 30 多万个中微子进行了研究。然而，这些中微子并不是源自深空的最有趣类型的中微子。这项研究中的中微子是在地球大气层中产生的，因为来自太空的高能粒子与氮或其他分子发生了碰撞。

"研究源自地球大气层的中微子有一个实际优势，那就是它们比来自外太空的同类中微子要常见得多。我们需要许多中微子的数据来验证我们的方法。现在我们已经做到了这一点。因此，我们已经准备好进入下一阶段，研究来自深空的中微子。"

Tom Stuttard，NBI 助理教授。资料来源：NBI

冰立方中微子天文台位于南极洲阿蒙森-斯科特南极站旁边。与大多数其他天文学和天体物理学设施相比，冰立方中微子天文台最适合观测地球另一侧（即北半球）的空间。这是因为，虽然中微子完全能够穿透我们的星球，甚至穿透其炙热、致密的内核，但其他粒子会被阻挡，因此来自北半球的中微子信号要干净得多。

冰立方设施由美国威斯康星大学麦迪逊分校运营。来自世界各国的 300 多名科学家参与了冰立方合作。哥本哈根大学是拥有冰立方中微子研究中心的 50 多所大学之一。

由于中微子不带电荷，几乎没有质量，因此不受电磁力和强核力的干扰，能够以原始状态在宇宙中旅行数十亿光年。问题的关键在于，中微子在远距离传播过程中，其特性实际上是完全不变的，还是会发生微小的变化。Tom Stuttard说："如果中微子发生了我们所怀疑的微妙变化，这将是量子引力的第一个有力证据。"

为了了解研究小组正在寻找中微子特性的哪些变化，我们需要了解一些背景信息。虽然我们称它为粒子，但我们观测到的中微子实际上是三种粒子共同产生的，这在量子力学中被称为叠加。中微子可以有三种基本构型--物理学家称之为"味道"--即电子、μ介子和tau。当中微子飞行时，我们观察到的构型会发生变化，这种奇特的现象被称为中微子振荡。这种量子行为在数千公里甚至更远的距离上都能保持，这被称为量子相干性。

"在大多数实验中，相干性很快就会被打破。但人们并不认为这是量子引力造成的。只是在实验室中创造完美的条件非常困难。你想要完美的真空环境，但不知何故，一些分子会设法溜进来等等。相比之下，中微子的特殊之处在于它们根本不受周围物质的影响，因此我们知道，如果相干性被破坏，也不会是人造实验装置的缺陷造成的，"Tom Stuttard解释说。

当被问及发表在《自然-物理》上的研究结果是否符合预期时，研究人员回答说："是的，我们发现自己处于一类罕见的科学项目中，即没有既定理论框架的实验。因此，我们不知道会有什么结果。不过，我们知道，我们可以寻找量子引力理论可能具有的一些一般特性，虽然我们确实有希望看到与量子引力有关的变化，但我们没有看到这些变化的事实并不完全排除它们是真实存在的。当南极设施探测到大气中微子时，它通常已经穿越了地球。这意味着大约 12700 千米--与源自遥远宇宙的中微子相比，这是一个非常短的距离。显然，量子引力需要更长的距离才能产生影响（如果它存在的话）。"

多年来，许多物理学家怀疑实验是否有希望测试量子引力。分析表明这确实是可能的，随着未来利用天体物理中微子进行测量，以及在未来十年建造更精确的探测器，我们希望最终能回答这个根本问题。

来自：cnBeta