Na dubini od približno 2,4 kilometra ispod površine Sredozemnog mora nalazi se teleskop kakav se ne viđa često. Umjesto promatranja zvijezda i galaksija, njegov je zadatak istraživati gotovo neuhvatljive subatomske čestice i provjeriti vrijedi li jedan od najvažnijih principa moderne fizike. Međunarodni tim znanstvenika pomoću tog je uređaja pokušao utvrditi postoje li odstupanja od temeljnog principa na kojem počiva teorija relativnosti Alberta Einsteina.

Rezultati istraživanja, objavljeni 4. studenoga 2026. godine u znanstvenom časopisu Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, nisu donijeli dokaze koji bi doveli u pitanje Einsteinovu teoriju. Ipak, znanstvenici su uspjeli postaviti nova, iznimno precizna ograničenja za teorijske modele prema kojima bi poznati zakoni fizike u određenim okolnostima mogli prestati vrijediti.

Posebno je zanimljivo što su takvi rezultati ostvareni uređajem koji u vrijeme prikupljanja podataka još nije bio dovršen, već je radio sa samo malim dijelom planiranih detektorskih jedinica.

Zašto je teleskop postavljen na dno Sredozemnog mora?

Neobični uređaj nosi naziv ORCA, što je kratica za Oscillation Research with Cosmics in the Abyss. Smješten je u Sredozemnom moru, nedaleko od francuskog grada Toulona, a dio je velikoga međunarodnog znanstvenog projekta KM3NeT.

Za razliku od klasičnih teleskopa koji prikupljaju svjetlost iz svemira, ORCA je osmišljena za registriranje neutrina. Riječ je o subatomskim česticama koje neprestano prolaze kroz Zemlju, a da pritom gotovo uopće ne stupaju u interakciju s materijom.

Neutrini imaju iznimno malu masu, nemaju električni naboj i vrlo rijetko reagiraju s drugim česticama. Upravo zbog tih svojstava mogu prelaziti golema prostranstva, pa čak i proći kroz cijeli naš planet, a da njihovo kretanje pritom gotovo ništa ne ometa.

Takve karakteristike čine ih iznimno zanimljivima znanstvenicima koji pokušavaju razumjeti najdublje zakone koji upravljaju svemirom.

Jedna od autorica istraživanja, Alba Domi, sudjelovala je u postavljanju prvih detektorskih jedinica na morsko dno. Tijekom izgradnje teleskopa istraživači su s brodova spuštali složenu znanstvenu opremu na dubinu na kojoj vladaju potpuni mrak i golem tlak vode.

Iako se takvo okruženje na prvi pogled ne čini idealnim za provođenje znanstvenih eksperimenata, duboko more pruža povoljne uvjete za otkrivanje iznimno slabih signala koje neutrini mogu proizvesti.

Znanstvenici pokušavaju pronaći slabost u Einsteinovoj teoriji

U središtu istraživanja nalazi se princip poznat kao Lorentzova invarijantnost, jedan od temeljnih stupova Einsteinove teorije relativnosti.

Prema tom principu, osnovni zakoni fizike ostaju nepromijenjeni bez obzira na orijentaciju promatrača i njegovo jednoliko pravocrtno gibanje. Drugim riječima, rezultati fizičkih eksperimenata ne bi se smjeli mijenjati samo zato što se promatrač kreće ili promatra određenu pojavu iz drukčijeg smjera.

Iako je Lorentzova invarijantnost potvrđena brojnim eksperimentima, znanstvenici i dalje pokušavaju utvrditi vrijedi li ona apsolutno u svim mogućim okolnostima.

Razlog za takva istraživanja krije se u jednom od najvećih neriješenih problema suvremene fizike. Opća teorija relativnosti iznimno uspješno objašnjava gravitaciju i ponašanje svemira na velikim prostornim razmjerima. S druge strane, kvantna fizika opisuje ponašanje čestica i različitih pojava u mikroskopskom svijetu.

Problem je u tome što te dvije velike znanstvene teorije još nisu objedinjene u jedinstven matematički okvir koji bi pouzdano opisivao i gravitaciju na kvantnoj razini.

Pojedine teorijske pretpostavke upućuju na mogućnost da prostor i vrijeme, koje u svakodnevnom iskustvu doživljavamo kao neprekinute, na iznimno malim razmjerima možda imaju diskretnu strukturu. Ako bi se takva pretpostavka pokazala točnom, mogla bi imati dalekosežne posljedice za naše razumijevanje fizičkih zakona.

Jedan od načina na koji znanstvenici pokušavaju pronaći tragove takve nove fizike jest upravo traženje odstupanja od Lorentzove invarijantnosti. Ako bi se pokazalo da taj princip ne vrijedi u određenim uvjetima, to bi moglo otvoriti vrata novim teorijskim objašnjenjima prirode prostora, vremena i svemira.

Čestice koje mogu proći kroz cijelu Zemlju

Kako bi provjerili postoje li takva odstupanja, istraživači su analizirali ponašanje neutrina koji nastaju kada kozmičke zrake stupaju u interakciju s česticama u Zemljinoj atmosferi.

Neutrini postoje u tri različite vrste, odnosno takozvana okusa: elektronski, mionski i tau neutrini. Jedna od njihovih najneobičnijih karakteristika jest mogućnost da tijekom putovanja prelaze iz jedne vrste u drugu. Taj se fenomen naziva neutrinskim oscilacijama.

Znanstvenici mogu vrlo precizno izračunati vjerojatnost takvih promjena koristeći postojeće teorijske modele. Međutim, ako bi mjerenja pokazala da se neutrini ponašaju drukčije od onoga što ti modeli predviđaju, to bi moglo upućivati na postojanje dosad nepoznatih fizičkih procesa.

U istraživanju su zato promatrani neutrini koji su prije dolaska do podvodnog teleskopa prolazili kroz unutrašnjost Zemlje. Neki od njih pritom su prešli put dug gotovo 12.700 kilometara, što približno odgovara promjeru našeg planeta.

Tako velike udaljenosti posebno su važne za ovu vrstu istraživanja. Naime, određena moguća odstupanja od poznatih fizičkih zakona mogla bi se postupno akumulirati tijekom putovanja čestica. Što je put koji neutrini prijeđu dulji, veća je mogućnost da će znanstvenici uočiti učinke koji bi na kraćim udaljenostima ostali neprimjetni.

Upravo je zbog toga promatranje neutrina koji prolaze kroz cijelu Zemlju iznimno vrijedno za testiranje temeljnih fizičkih principa.

Kako funkcionira teleskop skriven na morskom dnu?

Podvodni teleskop ORCA sastoji se od niza detektorskih jedinica pričvršćenih za morsko dno. Svaka od njih sadržava 18 staklenih kugli, a unutar svake kugle nalazi se 31 svjetlosni senzor.

Princip rada temelji se na iznimno rijetkim interakcijama neutrina s materijom u vodi. Kada neutrino stupi u interakciju s materijom, mogu nastati električki nabijene čestice koje se kreću kroz vodu i pritom proizvode slabu, karakterističnu svjetlost.

Taj se fenomen naziva Čerenkovljevim zračenjem, a upravo njega registriraju senzori unutar staklenih kugli.

Analizirajući prikupljene svjetlosne signale, istraživači mogu rekonstruirati smjer iz kojeg je neutrino stigao i procijeniti njegovu energiju. Na temelju tih podataka moguće je proučavati ponašanje čestica i uspoređivati rezultate s predviđanjima postojećih fizičkih teorija.

Zemlja u ovom eksperimentu ima još jednu važnu funkciju. Ona služi kao prirodni filtar jer zaustavlja velik dio drugih čestica koje bi mogle ometati mjerenja, dok neutrini mogu prolaziti kroz njezinu unutrašnjost gotovo neometano.

Sličan princip koristi i poznata opservatorija IceCube na Antarktici. Međutim, postoji važna razlika između tih dvaju znanstvenih postrojenja. Dok su detektori IceCubea ugrađeni u duboki antarktički led, ORCA za registriranje signala koristi morsku vodu.

Oba okruženja imaju određene prednosti i nedostatke. Led snažnije raspršuje svjetlost, dok je morska voda u većoj mjeri apsorbira. Te razlike utječu na način na koji se obrađuju i analiziraju prikupljeni signali, zbog čega znanstvenici moraju prilagoditi metode mjerenja karakteristikama pojedinog detektora.

Analizirali su 5828 događaja i dobili iznenađujuće precizne rezultate

Istraživački tim analizirao je ukupno 5828 događaja koji su odgovarali kandidatima za neutrine. Podaci su prikupljani tijekom približno 17 mjeseci, između 2020. i 2021. godine.

Posebno je zanimljivo da teleskop u tom razdoblju još nije bio ni približno dovršen. Raspolagao je sa svega šest detektorskih jedinica, što je predstavljalo tek mali dio planirane opreme.

Znanstvenici su uspoređivali izmjerene energije neutrina i smjerove njihova dolaska s predviđanjima standardnih fizičkih modela. Cilj je bio utvrditi postoje li razlike koje bi mogle upućivati na narušavanje Lorentzove invarijantnosti.

Rezultati nisu pokazali odstupanja koja bi upućivala na kršenje tog temeljnog principa fizike.

Ipak, to ne znači da je mogućnost postojanja takvih odstupanja zauvijek isključena. Ono što je eksperiment pokazao jest da bi, ako određena odstupanja doista postoje, njihovi učinci morali biti manji od granica koje su istraživači ovim mjerenjima uspjeli postaviti.

To je važan znanstveni rezultat jer omogućuje isključivanje pojedinih teorijskih pretpostavki koje predviđaju izraženije promjene u ponašanju neutrina.

Posebno su značajna nova izravna ograničenja mogućih razlika u ponašanju mionskih i tau neutrina. Upravo takva mjerenja omogućuju znanstvenicima da preciznije provjeravaju postojeće teorije i sužavaju prostor za modele koji predviđaju drukčije ponašanje tih čestica.

Dodatnu pozornost privukla je činjenica da su rezultati ostvareni s relativno malim brojem detektorskih jedinica. Njihova preciznost bila je usporediva s pojedinim rezultatima mnogo većih znanstvenih postrojenja.

Među njima su japanski Super-Kamiokande, koji je za usporediva istraživanja koristio podatke prikupljane tijekom približno 12 godina, te antarktički IceCube, čije su analize obuhvatile dvije godine rada kompletnog detektora.

Lukas Henig, jedan od autora istraživanja sa Sveučilišta Friedrich Alexander u Erlangenu i Nürnbergu, izrazio je iznenađenje činjenicom da je tako malen broj detektorskih jedinica omogućio postizanje rezultata usporedivih s onima mnogo većih znanstvenih eksperimenata.

Sljedeća istraživanja mogla bi otkriti još više o svemiru

Podvodni teleskop ORCA nastavlja se razvijati, a istraživači očekuju da će povećanje broja detektorskih jedinica omogućiti još preciznija mjerenja. Veći kapacitet detektora trebao bi omogućiti prikupljanje većeg broja podataka i detaljnije proučavanje ponašanja neutrina.

Buduća istraživanja pritom neće biti ograničena samo na neutrine koji nastaju u Zemljinoj atmosferi. Znanstvenici planiraju iskoristiti i podatke sestrinskog detektora ARCA, koji se također nalazi u Sredozemnom moru, nedaleko od Sicilije.

Za razliku od ORCA-e, koja je usmjerena na proučavanje atmosferskih neutrina, ARCA je namijenjena istraživanju neutrina iznimno visokih energija koji dolaze iz udaljenih kozmičkih izvora.

Takve bi čestice mogle biti posebno korisne u potrazi za novom fizikom. Naime, neki hipotetski učinci mogli bi biti izraženiji pri višim energijama i tijekom putovanja kroz golema kozmička prostranstva.

Međutim, istraživači zasad nemaju dovoljno registriranih astrofizičkih neutrina kako bi proveli odgovarajuću analizu. Zbog toga će za konkretnije zaključke biti potrebno prikupiti dodatne podatke.

Najnoviji rezultati istraživanja podvodnog teleskopa ORCA tako ne predstavljaju dokaz da je Einsteinova teorija pogrešna. Upravo suprotno, još jedan znanstveni eksperiment pokazao je da poznati zakoni fizike iznimno dobro opisuju ponašanje prirode.

Ipak, potraga za mogućim odstupanjima nije završena. Svako novo i preciznije mjerenje omogućuje znanstvenicima da dodatno suze prostor za teorije koje predviđaju drukčije ponašanje čestica. A upravo bi takvi, zasad neotkriveni tragovi jednoga dana mogli pomoći u rješavanju nekih od najvećih neriješenih pitanja moderne fizike.