เป็นเวลากว่าศตวรรษที่นักวิทยาศาสตร์หลงใหลในความเป็นไปได้ที่มิติเชิงพื้นที่ที่เล็กจิ๋วที่ซ่อนอยู่อาจมีอิทธิพลต่อฟิสิกส์ของโลกสามมิติที่เราคุ้นเคย แม้จะมีการค้นหาเชิงทดลองมานานหลายทศวรรษ แต่ก็ยังไม่มีหลักฐานที่เป็นรูปธรรมเกี่ยวกับมิติพิเศษเหล่านี้ ขณะนี้การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้เสนอแนวทางในการค้นหาขั้นสูง: การใช้การทดลองนิวตริโนใต้ดินลึก (DUNE) ที่กำลังจะเกิดขึ้นเพื่อตรวจสอบมิติที่ซ่อนอยู่เหล่านี้ผ่านพฤติกรรมของนิวตริโน
นิวตริโนเป็นหนึ่งในอนุภาคที่เข้าใจยากที่สุดในจักรวาล ทำให้พวกมันได้รับฉายาว่า "" มีสามประเภทที่รู้จัก - หรือ "รสชาติ" - ของนิวตริโน แต่ละประเภทมีขนาดเล็กกว่าอิเล็กตรอนหลายพันล้านเท่า อนุภาคเหล่านี้มีความโดดเด่นในเรื่องความสามารถในการเปลี่ยนรูปหรือแกว่งไปเป็นรสชาติที่แตกต่างกันขณะเดินทางผ่านอวกาศ แม้จะไม่ได้โต้ตอบกับอนุภาคอื่นก็ตาม
การศึกษานิวตริโนกับ DUNE
DUNE คือการทดลองการสั่นของนิวตริโนที่กำลังจะมีขึ้นในรัฐอิลลินอยส์และเซาท์ดาโคตา “ในการทดลองนี้ นิวทริโนถูกสร้างขึ้นโดยเครื่องเร่งอนุภาคที่เฟอร์มิแล็บ (ในรัฐอิลลินอยส์) เดินทางเป็นระยะทาง 1,300 กิโลเมตร (800 ไมล์) และถูกสังเกตการณ์โดยใช้เครื่องตรวจจับใต้ดินขนาดใหญ่ในเซาท์ดาโกตา”เมเฮดี มาซูดศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัย Chung-Ang ในเกาหลีใต้และผู้ร่วมเขียนการศึกษาบอกกับ WordsSideKick.com ทางอีเมล
การตั้งค่าการทดลองนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาการแกว่งของนิวตริโน นิวตริโนที่เกิดจากการชนของเฟอร์มิแล็บ โดยหลักๆ แล้วจะเป็นมิวออนนิวตริโน (หนึ่งในสามรสชาติ) จะเดินทางข้ามโลกไปยังเครื่องตรวจจับเซาท์ดาโคตา ระหว่างทาง อนุภาคเหล่านี้บางส่วนคาดว่าจะเปลี่ยนเป็นอีกสองรสชาติ: นิวตริโนอิเล็กตรอน และเทานิวตริโน
จากการสังเกตว่ารสชาติต่างๆ พัฒนาไปอย่างไรในระหว่างการเดินทาง นักวิทยาศาสตร์ของ DUNE หวังว่าจะคลี่คลายคำถามพื้นฐานหลายประการในฟิสิกส์ของนิวตริโน เช่น ลำดับชั้นของมวลนิวตริโน พารามิเตอร์ที่แม่นยำที่ควบคุมการแกว่ง และบทบาทของนิวทริโนในการสร้างสสาร-ปฏิสสาร ความไม่สมดุลในจักรวาล
ที่เกี่ยวข้อง:
การศึกษาซึ่งตีพิมพ์ใน ในเดือนพฤศจิกายน เสนอว่าสามารถอธิบายพฤติกรรมลึกลับของนิวตริโนได้ หากนอกเหนือจากอวกาศสามมิติที่คุ้นเคยแล้ว ยังมีมิติเชิงพื้นที่เพิ่มเติมในระดับไมโครเมตร (หนึ่งในล้านของเมตร) แม้จะเล็กตามมาตรฐานในชีวิตประจำวัน แต่ขนาดดังกล่าวกลับใหญ่โตอย่างน่าทึ่งเมื่อเทียบกับสเกลเฟมโทมิเตอร์ (หนึ่งในสี่ล้านล้านของหนึ่งเมตร) โดยทั่วไปของ-
“ทฤษฎีมิติพิเศษขนาดใหญ่ก่อนอื่นเสนอโดย Arkani-Hamed, Dimopoulos และ Dvali ในปี 1998 แสดงให้เห็นว่าพื้นที่สามมิติที่เราคุ้นเคยนั้นถูกฝังอยู่ในกรอบมิติที่สูงกว่าซึ่งมีสี่มิติขึ้นไป Masud อธิบาย "แรงจูงใจหลักสำหรับทฤษฎีนี้คือเพื่อบอกว่าเหตุใดอ่อนแอกว่าพลังพื้นฐานอื่นๆ ในธรรมชาติอย่างมาก นอกจากนี้ ทฤษฎีมิติพิเศษขนาดใหญ่ยังเสนอคำอธิบายที่เป็นไปได้สำหรับการกำเนิดของมวลนิวตริโนเล็กๆ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ยังคงไม่สามารถอธิบายได้ภายใน-
หากมีมิติพิเศษอยู่ พวกมันสามารถเปลี่ยนความน่าจะเป็นของการแกว่งตัวของนิวตริโนได้อย่างละเอียดด้วยวิธีที่ DUNE ตรวจพบได้ ตามที่ผู้เขียนศึกษาระบุ การบิดเบือนเหล่านี้อาจปรากฏเป็นการระงับความน่าจะเป็นของการแกว่งที่คาดหวังไว้เล็กน้อย และเป็นการ "สั่น" ของการสั่นเล็กน้อยที่พลังงานนิวตริโนที่สูงขึ้น
ในการศึกษานี้ ผู้เขียนได้พิจารณากรณีของมิติเพิ่มเติมเดียว ผลกระทบของมิติพิเศษนั้นถูกกำหนดโดยขนาดของมันเป็นหลัก การพึ่งพาอาศัยกันนี้สร้างโอกาสสำหรับนักวิจัยในการตรวจสอบการมีอยู่ของมิติดังกล่าวโดยการวิเคราะห์ว่าอย่างไรโต้ตอบกับสสารภายในเครื่องตรวจจับ มิติพิเศษนี้มีอิทธิพลต่อความน่าจะเป็นของการสั่นของนิวตริโน ซึ่งสามารถเปิดเผยเบาะแสอันมีค่าเกี่ยวกับการดำรงอยู่และคุณสมบัติของนิวตริโนได้
“เราจำลองข้อมูลนิวตริโนหลายปีจากการทดลอง DUNE โดยใช้แบบจำลองการคำนวณ” มาซูดกล่าว "ด้วยการวิเคราะห์ทั้งผลกระทบด้านพลังงานต่ำและพลังงานสูงของมิติพิเศษขนาดใหญ่ต่อความน่าจะเป็นของการแกว่งตัวของนิวทริโน เราได้ประเมินความสามารถของ DUNE ในเชิงสถิติในการจำกัดขนาดที่เป็นไปได้ของมิติพิเศษเหล่านี้ โดยสมมติว่าพวกมันมีอยู่จริงในธรรมชาติ"
การวิเคราะห์ของทีมชี้ให้เห็นว่าการทดลอง DUNE จะสามารถตรวจจับมิติพิเศษได้หากขนาดของมันอยู่ที่ประมาณครึ่งไมครอน (หนึ่งในล้านของเมตร) ขณะนี้ DUNE อยู่ระหว่างการก่อสร้างและคาดว่าจะเริ่มรวบรวมข้อมูลได้ประมาณปี 2573 หลังจากดำเนินการมาหลายปี ข้อมูลที่สะสมน่าจะเพียงพอสำหรับการวิเคราะห์ทฤษฎีมิติพิเศษขนาดใหญ่อย่างครอบคลุม ทีมงานคาดว่าผลการวิเคราะห์นี้จะสามารถใช้ได้ประมาณหนึ่งทศวรรษนับจากนี้
นอกจากนี้ พวกเขาคิดว่าในอนาคต การรวมข้อมูลจาก DUNE เข้ากับวิธีการทดลองอื่นๆ เช่น การทดลองด้วยเครื่องชนกันหรือการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์และจักรวาลวิทยา จะช่วยเพิ่มความสามารถในการตรวจสอบคุณสมบัติของมิติพิเศษที่มีความแม่นยำและแม่นยำมากขึ้น
“ในอนาคต การรวมข้อมูลจากข้อมูลประเภทอื่นๆ อาจทำให้ขอบเขตบนเหล่านี้แน่นขึ้น ทำให้การค้นพบมิติพิเศษขนาดใหญ่มีความเป็นไปได้มากขึ้น หากมีอยู่ในธรรมชาติ” มาซุดกล่าว นอกเหนือจากการเป็นเส้นทางที่น่าตื่นเต้นสำหรับฟิสิกส์ใหม่แล้ว การมีอยู่ของมิติพิเศษขนาดใหญ่ยังช่วยให้ DUNE วัดค่าที่ไม่ทราบมาตรฐานในฟิสิกส์นิวตริโนได้แม่นยำยิ่งขึ้น โดยปราศจากอิทธิพลของผลกระทบที่ไม่อาจนับรวมได้"
