Neutrini koji su prošli kroz Zemlju i ostavili trag u dubinama Sredozemlja nisu pokazali odstupanja od jednog od temeljnih načela Einsteinove relativnosti. Međunarodni tim projekta KM3NeT analizirao je 5.828 događaja izdvojenih kao kandidati za interakcije atmosferskih neutrina te postavio nove granice mogućem kršenju Lorentzove invarijantnosti.
U znanstvenom radu predstavljenom u ožujku 2026. istraživači su obradili podatke iz rane faze rada detektora ORCA, kada je imao samo šest detekcijskih jedinica. Provjeravali su učinke koji bi mijenjali ponašanje neutrina. Dosadašnje granice za neke od tih učinaka ovisile su o pretpostavkama o udaljenim svemirskim izvorima iz kojih neutrini dolaze.
Zašto fizičari i dalje provjeravaju relativnost
Lorentzova invarijantnost znači da fizikalni zakoni imaju isti oblik za sve promatrače koji se jedni u odnosu na druge gibaju jednoliko i pravocrtno. Ishod pokusa ne bi smio ovisiti o njegovoj orijentaciji ili takvu gibanju. To je jedno od polazišta specijalne relativnosti, a na toj se simetriji temelje i Standardni model fizike čestica te opća teorija relativnosti.
Neki teorijski pokušaji povezivanja gravitacije s kvantnom fizikom dopuštaju vrlo mala odstupanja od tog načela. Fizičari zato traže pojave u kojima bi se i iznimno slab učinak mogao izmjeriti. Neutrini su osobito zanimljivi jer tijekom putovanja mijenjaju vrstu, odnosno osciliraju. Takve su promjene osjetljive na uvjete njihova širenja.
Postoje tri poznate vrste neutrina, koje se u fizici nazivaju okusima: elektronski, mionski i tau-neutrino. Neutrino nastao kao jedna vrsta može biti zabilježen kao druga. Vjerojatnosti tih prijelaza ovise o njegovoj energiji i prijeđenom putu. Upravo zato mjerenja neutrinskih oscilacija služe i za provjeru Lorentzove simetrije: njezino bi kršenje moglo promijeniti očekivani obrazac prijelaza.
Detektor promatra čestice koje dolaze kroz Zemlju
ORCA se nalazi oko 40 kilometara od Toulona u Francuskoj, na dubini od približno 2,5 kilometara. Dio je infrastrukture KM3NeT, koja u Sredozemlju razvija dva neutrinska detektora. Dok je ARCA namijenjena istraživanju visokoenergijskih neutrina iz svemirskih izvora, ORCA ima gušće raspoređene senzore i prilagođena je neutrinima nižih energija, važnima za proučavanje oscilacija.
Atmosferski neutrini nastaju u lancu reakcija koji pokreću sudari kozmičkih zraka s česticama Zemljine atmosfere. Dio njih do detektora stiže nakon prolaska kroz velik dio planeta. Tako priroda osigurava čestice koje su prešle različite udaljenosti, bez potrebe za umjetnim snopom iz akceleratora.
Podvodni senzori ne snimaju sam neutrino. Bilježe Čerenkovljevo zračenje, svjetlost koju u vodi stvaraju nabijene čestice nastale njegovom interakcijom. Iz vremena dolaska i rasporeda tih signala istraživači rekonstruiraju energiju događaja i smjer iz kojeg je neutrino stigao. Optički moduli ORCA-e raspoređeni su na okomitim detekcijskim jedinicama usidrenima za morsko dno.
Za ovu su analizu upotrijebljena mjerenja konfiguracije ORCA6 iz razdoblja od siječnja 2020. do studenoga 2021. Nakon provjera kvalitete preostalo je 510 dana korisnih podataka, odnosno oko 1,4 godine. Uzorak od 5.828 neutrinskih kandidata već je opisan u ranijem radu o mjerenju neutrinskih oscilacija.
Nove granice za određene oblike odstupanja
Istraživači su usporedili raspodjelu zabilježenih energija i smjerova dolaska s očekivanjima za standardne oscilacije te s modelima koji dopuštaju kršenje Lorentzove invarijantnosti. Analiza se odnosila na izotropna odstupanja, odnosno ona koja u pretpostavljenom povlaštenom referentnom sustavu ne ovise o prostornom smjeru.
U podacima nisu pronašli dokaz takva kršenja. Umjesto toga odredili su koliko veliki pojedini predloženi učinci još smiju biti da bi ostali u skladu s mjerenjima. Takva ograničenja pomažu suziti skup teorijskih mogućnosti koje budući pokusi trebaju provjeriti.
Tim KM3NeT prvi je put postavio gornje granice za određene izotropne dijagonalne koeficijente kršenja Lorentzove invarijantnosti u neutrinskom sektoru bez pretpostavki o početnim omjerima neutrinskih okusa u astronomskim izvorima. Ti koeficijenti opisuju moguće razlike u širenju pojedinih neutrinskih okusa koje bi utjecale na njihove oscilacije.
Uporabom atmosferskih neutrina istraživači su izbjegli jednu od neizvjesnosti takvih astronomskih testova: koliko je koje vrste neutrina proizveo udaljeni svemirski izvor. Njihov rezultat zato ne ovisi o pretpostavljenom sastavu tog početnog snopa.
Jedan test unutar šire potrage
Moguća odstupanja od relativnosti istražuju se i drugim česticama. Među njima je foton energije oko 300 TeV iz gama-bljeska GRB 221009A, za čije se putovanje razmatraju i objašnjenja koja uključuju kršenje Lorentzove invarijantnosti. ORCA ispituje drukčije učinke, u neutrinskom sektoru, pa se ti rezultati ne mogu izravno poistovjetiti.
Rezultat podupire Lorentzovu invarijantnost u ispitanim uvjetima. Veći uzorci podataka i prošireni detektor trebali bi omogućiti osjetljivije provjere te obuhvatiti dodatne oblike mogućih odstupanja.
