Проект DUNE заглянет за пределы трёх измерений в 2030

Идея о существовании дополнительных измерений, скрытых от нашего восприятия, уже более века волнует умы физиков. Эти измерения могли бы оказать влияние на законы природы, которые мы наблюдаем в трехмерной реальности. Но, несмотря на десятилетия исследований, убедительных доказательств пока не найдено. Новый эксперимент — Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) — может стать прорывом в поиске этих загадочных измерений.

Нейтрино — частицы, которых называют “призраками” из-за их невероятной способности проходить сквозь материю, почти не взаимодействуя с ней. Они существуют в трех “вкусах” (типах): электронном, мюонном и тау-нейтрино. Уникальная особенность нейтрино — способность изменять свой тип, или осциллировать, пока они движутся. Это свойство делает их ключевым инструментом для исследования скрытых измерений.

Как DUNE изучает нейтрино

Эксперимент DUNE строится на основе нейтринных осцилляций. Он будет проводиться между двумя крупными исследовательскими центрами: Фермилабом ( Fermilab ) в Иллинойсе и подземной лабораторией в Южной Дакоте. На ускорителе частиц в Фермилабе создаются мюонные нейтрино, которые затем преодолевают расстояние 1300 километров под землей, чтобы достичь детектора в Южной Дакоте. По пути часть этих нейтрино трансформируется в электронные и тау-нейтрино .

Анализируя, как меняются “вкусы” нейтрино во время их путешествия, ученые надеются выяснить важные параметры их осцилляций, распределение масс и даже получить ответы на вопросы о происхождении дисбаланса материи и антиматерии во Вселенной.

Теория скрытых измерений

Одной из наиболее интригующих возможностей, предложенных в новом исследовании, является использование DUNE для поиска дополнительных измерений пространства. Согласно теории больших дополнительных измерений, разработанной в 1998 году Аркани-Хамедом, Димопулосом и Двали, наша трехмерная реальность может быть частью многомерной структуры. Эти измерения, хотя и не видны, могут находиться на масштабах порядка микрометра (одной миллионной метра). Это невероятно мало, но все же намного больше, чем масштабы обычных субатомных частиц.

Скрытые измерения могли бы объяснить многие загадки физики, включая то, почему гравитация гораздо слабее других фундаментальных сил. Они также могут пролить свет на происхождение маленьких масс нейтрино, которые не объясняются стандартной моделью физики частиц.

Если такие измерения действительно существуют, они могут повлиять на вероятность осцилляций нейтрино. Эти изменения могут проявляться как небольшие отклонения от предсказанных значений и “вибрации” на высоких энергиях.

Моделирование и перспективы

В своем исследовании ученые провели моделирование работы DUNE, чтобы оценить, насколько чувствительным будет эксперимент к наличию скрытых измерений. Они выяснили, что DUNE сможет обнаружить дополнительное измерение размером около полумикрона после нескольких лет работы. Это станет возможным благодаря большому объему данных и детальному анализу изменений осцилляций нейтрино.

Однако ученые подчеркивают, что для подтверждения существования скрытых измерений одних данных DUNE может быть недостаточно. В будущем потребуется объединить результаты с данными других экспериментов, таких как коллайдеры или астрофизические наблюдения.

“Совмещение данных позволит повысить точность и сузить верхние пределы для размера таких измерений”, — говорит Мехеди Масуд, один из авторов исследования. “Кроме того, скрытые измерения могут помочь точнее измерить неизвестные параметры стандартной нейтринной физики”.

DUNE планируется запустить в 2030 году. Ученые ожидают, что уже спустя десятилетие после начала эксперимента будут получены первые результаты, которые откроют новый взгляд на устройство Вселенной.