Kvantgravitation är den felande länken mellan allmän relativitetsteori och kvantmekanik, den ännu oupptäckta nyckeln till en enhetlig teori som kan förklara både det oändligt stora och det oändligt lilla. Lösningen på detta pussel kan finnas i den blygsamma neutrinon, en elementarpartikel utan elektrisk laddning och nästan osynlig, eftersom den sällan interagerar med materia och passerar genom allt på vår planet utan konsekvenser.
Av just denna anledning är neutriner svåra att upptäcka. I sällsynta fall kan en neutrino dock interagera med t.ex. vattenmolekyler på havets botten. De partiklar som avges vid denna interaktion ger upphov till ett ”blått sken”, så kallad Čerenkov-strålning, som kan upptäckas av instrument som KM3NeT.
KM3NeT (Kilometer Cube Neutrino Telescope) är ett stort undervattensobservatorium som är utformat för att upptäcka neutriner genom deras interaktioner i vatten. Det är uppdelat i två detektorer, varav den ena, ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), användes för denna forskning. Den ligger utanför Toulons kust i Frankrike på ett djup av cirka 2.450 meter.
Det räcker dock inte att bara observera neutriner för att dra slutsatser om kvantgravitationens egenskaper – vi måste också leta efter tecken på ”dekoherens”.
När neutriner färdas genom rymden kan de ”oscillera”, vilket innebär att de ändrar identitet – ett fenomen som forskarna kallar flavoroscillationer. Koherens är en grundläggande egenskap hos dessa oscillationer: en neutrino har ingen bestämd massa utan existerar som en kvantsuperposition av tre olika masstillstånd. Koherensen håller denna superposition väldefinierad, vilket gör att svängningarna kan inträffa regelbundet och förutsägbart. Kvantgravitationseffekter kan dock dämpa eller till och med undertrycka dessa oscillationer, ett fenomen som kallas ”dekoherens”.
”Det finns flera teorier om kvantgravitation som på något sätt förutspår denna effekt eftersom de säger att neutrinon inte är ett isolerat system. Den kan interagera med omgivningen”, förklarar Nadja Lessing, fysiker vid Instituto de Física Corpuscular vid universitetet i Valencia och korresponderande författare till denna studie, som innehåller bidrag från hundratals forskare världen över.
”Ur experimentell synvinkel vet vi att signalen på detta skulle vara att se neutrinooscillationer undertryckta.” Detta skulle ske eftersom neutrinon under sin resa till oss – eller mer exakt till KM3NeT-sensorerna på botten av Medelhavet – skulle kunna interagera med miljön på ett sätt som förändrar eller undertrycker dess svängningar.
I Lessing och hans kollegors studie visade neutrinerna som analyserades av KM3NeT/ORCA:s undervattensdetektor dock inga tecken på dekoherens, ett resultat som ger värdefulla insikter.
”Detta”, förklarar Lessing, ”betyder att om kvantgravitation förändrar neutrinosvängningar gör den det med en intensitet som ligger under de nuvarande känslighetsgränserna.” Studien har fastställt övre gränser för styrkan hos denna effekt, som nu är strängare än de som fastställts av tidigare atmosfäriska neutrinoexperiment. Den ger också indikationer på framtida forskningsinriktningar.
”Att hitta neutrinodekoherens skulle vara en stor sak”, säger Lessing. Hittills har inga direkta bevis för kvantgravitation någonsin observerats, vilket är anledningen till att neutrinoexperiment får allt större uppmärksamhet. ”Det har funnits ett växande intresse för det här ämnet. De som forskar om kvantgravitation är mycket intresserade av det här eftersom man förmodligen inte kan förklara dekoherens med något annat.”
För mer information: Search for quantum decoherence in neutrino oscillations with six detection units of KM3NeT/ORCA, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2025). På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2410.01388
