במשך יותר ממאה שנה, מדענים הוקסמו מהאפשרות שממדים מרחביים נסתרים ומזעריים יכולים להשפיע על הפיזיקה של העולם התלת מימדי המוכר שלנו. עם זאת, למרות עשרות שנים של חיפושים ניסיוניים, עדיין לא היו עדויות קונקרטיות לממדים הנוספים הללו. כעת, מחקר שנערך לאחרונה מציע דרך לקדם את החיפוש הזה: שימוש בניסוי ניוטרינו עמוק תת קרקעי הקרוב (DUNE) כדי לחקור את הממדים הנסתרים הללו באמצעות התנהגות נייטרינו.
הניטרינו הם בין החלקיקים החמקמקים ביותר של היקום, מה שמקנה להם את הכינוי "." ישנם שלושה סוגים ידועים - או "טעמים" - של ניטרינו, שלכל אחד מסה קטנה פי מיליארדים מזו של האלקטרון. חלקיקים אלה מדהימים ביכולתם להפוך - או להתנודד - לטעמים שונים כשהם נעים בחלל, אפילו בלי אינטראקציה עם חלקיקים אחרים.
לומדים ניטרינו עם DUNE
DUNE הוא ניסוי תנודת ניטרינו שייערך בקרוב המבוסס באילינוי ובדרום דקוטה. "בניסוי זה, ניטרינו נוצרים על ידי מאיץ חלקיקים ב-Fermilab [באילינוי], עוברים מרחק של 1,300 קילומטרים [800 מיילים], והם נצפים באמצעות גלאי תת-קרקעי מסיבי בדרום דקוטה."מהדי מסעוד, פרופסור באוניברסיטת צ'ונג-אנג בדרום קוריאה ומחבר שותף של המחקר, סיפר ל- Live Science באמצעות דואר אלקטרוני.
מערך הניסוי הוא אידיאלי לחקר תנודות נייטרינו. ניוטרינו שנוצרו בהתנגשויות של פרמילב - בעיקר נויטרינו מיאון (אחד משלושת הטעמים) - יחצו את כדור הארץ כדי להגיע לגלאי דרום דקוטה. בדרך, חלק מהחלקיקים הללו צפויים להפוך לשני הטעמים האחרים: נויטרינו אלקטרונים וניטרינו טאו.
על ידי התבוננות כיצד הטעמים השונים מתפתחים במהלך מסעם, מדעני DUNE מקווים לפענח כמה שאלות בסיסיות בפיזיקה של הניטרינו, כגון ההיררכיה של מסת הניטרינו, הפרמטרים המדויקים השולטים בתנודה והתפקיד שייתכן שמילאו הנייטרינים ביצירת החומר-אנטי-חומר. חוסר איזון ביקום.
קָשׁוּר:
המחקר, שפורסם ב- בנובמבר, מציע שניתן להסביר את ההתנהגות האניגמטית של הנייטרינים אם, בנוסף לשלושת הממדים המוכרים של החלל, קיימים מימדים מרחביים נוספים בקנה מידה של מיקרומטרים (מיליוניות המטר). אמנם זעירים בסטנדרטים יומיומיים, ממדים כאלה גדולים להפליא בהשוואה לסולמות הפמטומטר (רבע רביעיית המטר) האופייניים ל.
"התיאוריה של מימדים נוספים גדולים, ראשיתמוּצָעמאת Arkani-Hamed, Dimopoulos ו-Dvali בשנת 1998, עולה כי המרחב התלת מימדי המוכר שלנו מוטמע בתוך מסגרת ממדית גבוהה יותר" של ארבעה ממדים או יותר, הסביר מסעוד. "המוטיבציה העיקרית לתיאוריה זו היא להתייחס למה.הוא חלש בהרבה משאר הכוחות הבסיסיים בטבע. יתר על כן, התיאוריה של מימדים נוספים גדולים מציעה הסבר פוטנציאלי למקורן של המוני הנייטרינו הזעירים, תופעה שנותרה בלתי מוסברת בתוך."
אם קיימים ממדים נוספים, הם יכולים לשנות בעדינות את הסתברויות תנודת הניטרינו בדרכים שניתן לזהות על ידי DUNE, על פי מחברי המחקר. עיוותים אלו יכולים להופיע כדיכוי קל של הסתברויות התנודות הצפויות וכ"תנודות" קטנות באנרגיות ניטרינו גבוהות יותר.
במחקר זה, המחברים שקלו את המקרה של ממד נוסף יחיד. ההשפעות של מימד נוסף נקבעות בעיקר על ידי גודלו. תלות זו יוצרת הזדמנות לחוקרים לחקור את נוכחותם של ממדים כאלה על ידי ניתוח כיצדאינטראקציה עם החומר בתוך הגלאי. הממד הנוסף משפיע על הסתברויות התנודה של הנייטרינו, אשר בתורו יכולים לחשוף רמזים חשובים לגבי קיומו הפוטנציאלי ותכונותיו.
"הדמיינו מספר שנים של נתוני נייטרינו מניסוי DUNE באמצעות מודלים חישוביים", אמר מסוד. "על ידי ניתוח השפעות צריכת האנרגיה הנמוכה והאנרגיה הגבוהה של ממדים נוספים גדולים על הסתברויות תנודת ניוטרינו, הערכנו סטטיסטית את היכולת של DUNE להגביל את הגודל הפוטנציאלי של ממדים נוספים אלה, בהנחה שהם קיימים בטבע."
ניתוח הצוות מצביע על כך שניסוי DUNE יוכל לזהות מימד נוסף אם גודלו הוא בסביבות חצי מיקרון (מיליונית המטר). DUNE נמצא כעת בשלבי בנייה וצפוי להתחיל באיסוף נתונים בסביבות שנת 2030. לאחר מספר שנים של פעילות, סביר להניח שהנתונים המצטברים יספיקו לניתוח מקיף של התיאוריה של מימדים נוספים גדולים. הצוות מצפה שהתוצאות של ניתוח זה יהיו זמינות בעוד כעשור מהיום.
בנוסף, הם חושבים שבעתיד, שילוב של נתונים מ-DUNE עם שיטות ניסוי אחרות - כגון ניסויי מתנגשים או תצפיות אסטרופיזיקליות וקוסמולוגיות - ישפר את היכולת לחקור את המאפיינים של מימדים נוספים בדיוק ודיוק רב יותר.
"בעתיד, שילוב של קלט מסוגים אחרים של נתונים יכול להדק עוד יותר את הגבולות העליונים הללו, ולהפוך את הגילוי של ממדים נוספים גדולים לסבירים יותר, אם הם קיימים בטבע", אמר מסוד. "מעבר להיותה שדרה מרגשת לפיזיקה חדשה, הנוכחות הפוטנציאלית של מימדים נוספים גדולים יכולה גם לעזור ל-DUNE למדוד לא ידועים סטנדרטיים בפיזיקה נייטרינו בצורה מדויקת יותר, ללא השפעות של השפעות לא ידועות."
