在南极，寻找量子引力的证据

用中微子寻找量子引力

量子引力真的存在吗？最近，一组科学家利用神奇的中微子，探寻了这个物理学中最具挑战的大问题。

中微子是一类没有电荷、几乎没有质量的“幽灵粒子”，它们可以不受电磁力和强力的干扰，毫不费力地穿过几乎任何物质，不受阻碍地进行超长距离的旅行。正因如此，这些携带着有关它们来源信息的粒子，其实扮演着宇宙“信使”的角色。

但是，一个关键的问题在于，在穿过了数十亿光年甚至更远的距离时，中微子的性质真的能完全不变吗？还是说它们最终也会出现微小的变化？科学家相信，如果中微子经历了这种细微的变化，那么这将能成为量子引力的首个有力证据。

在一项新发表于《自然·物理学》的研究中，冰立方中微子天文台（IceCube）合作组的科学家，就试图通过IceCube探测到的大气中微子，寻找量子引力存在的证据。

中微子的退相干

量子理论和广义相对论是物理学的两大支柱。量子理论主宰着微观世界的粒子行为，广义相对论支配着宏观的宇宙，它们各司其职，很好地描述了这个宇宙的运作方式。然而，它们却无法以一种完美的方式结合起来。因此，寻找一个能够将这两个理论统一起来的量子引力理论是物理学家最大的目标之一。

但量子引力真的存在吗？为了回答这个悬而未决的物理学大问题，IceCube合作组的科学家发展了一种利用中微子数据来揭示量子引力是否存在的方法。

IceCube位于南极洲阿蒙森-斯科特南极站旁边，它被深埋在南极冰层之下约2.5千米的地方，由数千个传感器组成。在投入运行的十多年间，它已经捕捉到了大量中微子。

中微子有三种“味”，即电子中微子、μ中微子和τ中微子。随着中微子的传播，这些不同味的中微子会发生变化，这种奇怪的现象被称为中微子振荡。这种量子行为在数千千米甚至更长的距离内保持不变，这被称为量子相干性。

在大多数实验中，这种相干性很快就会被破坏，但这种退相干并不会被认为是由量子引力引起的。这是因为在实验室中创造完美的真空是非常困难的，一些分子总能神不知鬼不觉地潜入，破坏相干性。

相比之下，中微子的特殊之处就在于，它们不受周围物质的影响，所以如果中微子的相干性被破坏，那么就不会是由于人造实验装置的缺陷导致的。

IceCube捕捉到的大气中微子

地球周围的大多数中微子都来自太阳，还有一些是来自最遥远外太空的高能天体物理中微子。中微子可以轻易地穿透地球，即便是地球炽热的、致密的核心也无法阻挡中微子的脚步，而其他的粒子则会被地球阻挡。因此，由IceCube所捕捉的来自北半球的中微子信号要清晰得多。

一个中微子传感器被放入南极冰盖深处。（图/IceCube / NSF）

在新的研究中，研究人员分析了在地球大气中产生的中微子在传播过程中的退相干情况。这些中微子源自于太空中的高能粒子与氮或其他分子的相撞。

研究这些来自地球大气层的中微子有一个优势，那就是它们比来自外太空的中微子更常见。科学家需要大量中微子的数据，来验证他们的方法。不过，研究结果表明，并不存在异常的中微子退相干的证据。

怀疑犹在

当被问及新的研究结果是否如预期的那样时，研究人员回答道：“我们发现自己处于一类罕见的科学项目类别中，即进行的实验没有对应的既定理论框架。因此，我们不知道该期待什么。然而，我们知道，我们可以寻找一些我们期望量子引力理论具有的一般性质。”

研究人员强调，虽然在这项研究中，他们并没有在大气中微子上看到与量子引力相关的变化，但这并不代表这样的变化就真的不存在。对于IceCube所探测到的大气中微子来说，它们通常会穿过地球，这意味着穿过了大约12700千米的距离。与来自遥远宇宙的中微子相比，这是一个非常短的距离，而如果量子引力存在的话，它需要更长的距离才能产生影响。

多年来，许多物理学家怀疑实验是否有希望检验量子引力。新的分析结果表明，这种研究是有可能实现的。研究人员表示，他们已经做好准备进入下一阶段，也就是研究来自深空的天体物理中微子。随着未来对这些天体物理中微子进行测量，以及有更精确的探测器投入运行，最终科学家们或许能够回答这个基本大问题。

#创作团队：

编译：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

https://science.ku.dk/english/press/news/2024/scientists-on-the-hunt-for-evidence-of-quantum-gravitys-existence-at-the-south-pole/

https://www.nature.com/articles/s41567-024-02436-w

#图片来源：

封面图&首图：IceCube / NSF