一個多世紀以來，科學家們一直對隱藏的微小空間維度可能影響我們熟悉的三維世界的物理學的可能性著迷。然而，儘管進行了數十年的實驗研究，但尚未有這些額外維度存在的具體證據。現在，最近的一項研究提出了一種推進這一搜索的方法：利用即將進行的深層地下中微子實驗（DUNE）通過中微子行為來探測這些隱藏的維度。
中微子是宇宙中最難以捉摸的粒子之一，因此贏得了“中微子”的綽號。中微子有三種已知類型（或“風味”），每一種的質量都比電子小數十億倍。這些粒子在穿越太空時，即使不與其他粒子相互作用，也能轉化（或振盪）成不同的風味，其能力非常出色。
使用 DUNE 研究中微子
DUNE 是即將在伊利諾伊州和南達科他州進行的中微子振盪實驗。 “在這項實驗中，中微子由費米實驗室（伊利諾伊州）的粒子加速器產生，傳播距離為 1,300 公里（800 英里），並使用南達科他州的大型地下探測器進行觀測。”邁赫迪·馬蘇德韓國中央大學教授、該研究的合著者通過電子郵件告訴《生活科學》。
該實驗裝置非常適合研究中微子振盪。費米實驗室碰撞中產生的中微子——主要是μ子中微子（三種中微子之一）——將穿過地球到達南達科他州探測器。在此過程中，其中一些粒子預計會轉變為其他兩種類型：電子中微子和τ中微子。
通過觀察不同味道在旅程中如何演變，《沙丘》科學家希望能夠解開中微子物理學中的幾個基本問題，例如中微子質量的等級、控制振蕩的精確參數，以及中微子在宇宙中物質與反物質不平衡中可能發揮的作用。
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該研究發表在 11 月，提出如果除了熟悉的三個空間維度之外，還存在微米（百萬分之一米）尺度的額外空間維度，那麼中微子的神秘行為就可以得到解釋。雖然按照日常標準來看很小，但與典型的飛米（千萬億分之一米）尺度相比，這樣的尺寸卻非常大。。
“大額外維度理論，首先建議的馬蘇德解釋說，由 Arkani-Hamed、Dimopoulos 和 Dvali 在 1998 年提出，我們熟悉的三維空間嵌入在一個具有四個或更多維度的高維框架中。 “該理論的主要動機是解決為什麼比自然界中其他基本力弱得多。此外，大額外維度理論為微小中微子質量的起源提供了潛在的解釋，這種現像在宇宙中仍然無法解釋。”。
研究作者表示，如果存在額外維度，它們可能會以 DUNE 檢測到的方式巧妙地改變中微子振盪概率。這些扭曲可能表現為對預期振盪概率的輕微抑制以及在較高中微子能量下的小振盪“擺動”。
在這項研究中，作者考慮了單個附加維度的情況。額外維度的影響主要由其大小決定。這種依賴性為研究人員提供了一個機會，通過分析這些維度的存在方式來研究這些維度的存在。與探測器內的物質相互作用。額外維度影響中微子的振盪概率，這反過來又可以揭示有關其潛在存在和性質的有價值的線索。
“我們使用計算模型模擬了 DUNE 實驗中幾年的中微子數據，”馬蘇德說。 “通過分析大額外維度對中微子振盪概率的低能和高能影響，我們統計評估了 DUNE 限制這些額外維度潛在大小的能力，假設它們存在於自然界中。”
該團隊的分析表明，沙丘實驗將能夠檢測到尺寸約為半微米（百萬分之一米）的額外維度。 DUNE目前正在建設中，預計2030年左右開始數據收集。經過幾年的運行，積累的數據可能足以對大額外維理論進行全面分析。該團隊預計該分析的結果將在大約十年後公佈。
此外，他們認為，未來，將 DUNE 的數據與其他實驗方法（例如對撞機實驗或天體物理和宇宙學觀測）相結合，將增強以更高的精度和準確度研究額外維度特性的能力。
馬蘇德說：“未來，納入其他類型數據的輸入可能會進一步收緊這些上限，從而使發現更大的額外維度變得更加合理（如果它們存在於自然界）。” “除了成為新物理學的一條令人興奮的途徑之外，潛在的大額外維度還可以幫助 DUNE 更精確地測量中微子物理學中的標準未知數，而不受未解釋效應的影響。”
