Onderzoekers van de Griffith University voeren een experiment uit bij ANSTO dat een revolutionaire natuurkundige theorie zal testen dat tijdomkering van symmetrie door neutrino's een tijddilatatie op de kwantumschaal zou kunnen veroorzaken.

Met steun van het Nationaal Meetinstituut (NMI), A/Prof Erik Streed had een bron van anti-neutrino's en enkele atoomklokken nodig om een ​​voorlopig experiment uit te voeren dat de geldigheid zou testen van een nieuwe kwantumtheorie van tijd die werd ontwikkeld door zijn collega aan de Griffith University, professor Joan Vaccaro.

Een kwantumtheorie van tijd

Vaccaro is een ervaren theoretisch fysicus, die een fundamentele theorie heeft ontwikkeld die tijd en ruimte op één lijn stelt.

De theorie stelt voor dat de dynamiek die we overal waarnemen als veranderingen die in de loop van de tijd plaatsvinden, geen fundamentele onderdelen van de natuur zijn, maar fenomenologisch ontstaan ​​als gevolg van schendingen van de tijdsymmetrie.

Het is revolutionair, want als het juist is, het zal de manier waarop we over tijd en ruimte denken omverwerpen, evenals fundamentele wetten, zoals het behoud van massa.

Een bron van neutrino's om de theorie te testen

Na de publicatie van de theorie in 2016, Vaccaro stelde voor om een ​​experiment uit te voeren met een kernreactor om de theorie te testen.

Een lokale bron van tijdovertredingen op de kwantumschaal zou kunnen bijdragen aan de netto hoeveelheid tijdovertredingen en, daarbij, dynamiek lokaal aanpassen.

De OPAL-reactor produceert een enorme stroom anti-neutrino's die ongedeerd door de materie bewegen, omdat ze er slechts uiterst zwak mee omgaan.

Het bewijs dat neutrino's tijdsymmetrie-schending vertonen, is de afgelopen jaren toegenomen en staat momenteel op 99,7% zekerheid.

Het experiment zal de theorie testen omdat anti-neutrino's die door de reactor worden geproduceerd een tijdovertredingsveld vertegenwoordigen dat een omgekeerde kwadratenwet heeft met de afstand tot de kern.

De theorie voorspelt dat de tijd die door een klok wordt verzameld, afhangt van de hoeveelheid tijdovertreding in zijn lokale regio.

Er wordt voorspeld dat een klok die in de buurt van de reactorkern is geplaatst, synchroniciteit verliest met de verder verwijderde klok.

Dit betekent dat een van de testklokken bij de reactor, kan enige tijdsdilatatie vertonen, of verschil in verstreken tijd, in vergelijking met een klok op korte afstand.

"De berekeningen van mijn collega suggereren dat neutrino's een grotere impact op tijd kunnen hebben dan we ons realiseren, "zei Streed. "Het zou inderdaad zeer verrassend zijn als neutrino's interactie zouden hebben met materie op basis van tijd in plaats van alleen de zwakke kernkracht."

De experimentele opstelling

Na een succesvolle indiening van een voorstel bij het Australian Centre for Neutron Scattering, de onderzoekers reisden naar ANSTO om twee timingstations met atoomklokken in de buurt van de reactor te installeren, waar ze gedurende zes maanden gegevens zullen verzamelen.

Atoomklokken worden gebruikt in tests van fundamentele fysica om kleine effecten op de kwantumschaal te detecteren vanwege hun uitstekende nauwkeurigheid en precisie, die delen benadert in 10 ¹⁷ -tot 10 ¹⁹ voor de beste klokken.

Dr. Michael Wouters, die leidt Standards for Time and Frequency bij het National Measurement Institute in Sydney, werkt mee aan het experiment.

NMI leverde de atoomklokken en ontwikkelde de meetsystemen die essentieel zijn voor het experiment.

In dit eerste experiment in de handel verkrijgbare zeer nauwkeurige klokken worden gebruikt. Klokken met veel betere prestaties zouden worden gebruikt in een verbeterde versie van het experiment.

Eén timingstation is ongeveer vijf meter van de reactor geplaatst, terwijl het referentiestation 10 meter van de reactor verwijderd is.

Elk station bestaat uit een cesium primaire klok, drie secundaire klokken en de meetsystemen die worden gebruikt om de klokken te vergelijken tot minder dan een miljardste van een seconde.

Het was belangrijk dat de klokken onderhevig waren aan neutrino's in een omgeving onder exact dezelfde fysieke omstandigheden, omdat ze niet volledig immuun zijn voor veranderingen, zoals de omgevingstemperatuur.

De cesiumklokken zitten in nogal gewoon ogende beige dozen die worden beschermd door een balk die als een barrière fungeert tegen iemand die erin klopt.

Wouters legde uit dat het experiment geen enkele metingen omvat, maar het middelen voor een optimale tijd voor elk specifiek type klok om de best mogelijke meting te krijgen.

Het feit dat de reactor periodiek stilgelegd wordt voor onderhoud biedt een voordeel, in dat, het biedt een voorspelbare controle voor het experiment, wanneer de twee sets klokken met dezelfde snelheid zouden moeten lopen.

Dit zou een meer overtuigende experimentele demonstratie zijn van het voorgestelde tijddilatatie-effect.

Elk resultaat of limiet van het reactorexperiment zal worden vergeleken met berekeningen van onzekerheden in de waargenomen beweging van planeten en andere objecten die rond de zon draaien, waarvan wordt voorspeld dat ze op dezelfde manier worden beïnvloed door de zonne-neutrinoflux.

"Ongeacht de uitkomst, een deel van het experiment gaat over het opdoen van ervaring in de omgeving waarin we moeten werken, wat geen gecontroleerde omgeving is zoals onze laboratoria, ' zei Wouters.

"De bedrijfsomstandigheden zullen ons helpen bij het identificeren en karakteriseren van mogelijk relevante bronnen van fouten uit een reeks omgevingsomstandigheden, ons te helpen een verbeterde versie van het experiment te ontwerpen, " hij voegde toe.

De maatstaf voor succes

Streed zei dat als het experiment succesvol is, het geeft een 'getal' voor hoe groot het kwantumeffect op tijd is.

"En als het effect zich voordoet op reactorniveau, we zouden het bij andere kernreactoren moeten valideren en dan op andere plaatsen naar het effect zoeken, zoals planetaire orbitale gegevens, " hij zei.

"Vanuit wetenschappelijk oogpunt het is ongelooflijk hoog risico vanwege de onbekenden, ' zegt Streed.

Maar het is duidelijk een risico dat Streed en Vaccaro bereid zijn te nemen vanwege het enorme belang ervan als het experimentele bewijs de theorie ondersteunt.

In elk geval, de tijd zal het leren.