Zoeken naar kleine zwarte gaten legt strengere beperkingen op aan de kwantumzwaartekracht – Physics World

Zoeken naar kleine zwarte gaten legt strengere beperkingen op aan de kwantumzwaartekracht – Physics World

Tijdstempel: 26 april 2024 8:06 uur


IceCube Neutrino-observatorium
Topje van de ijsberg: het IceCube-gebouw ligt bovenop een vierkante kilometer ijs dat wordt gebruikt om neutrino's te detecteren. (Met dank aan: Christopher Michel/CC BY-SA 4.0)

Nieuwe waarnemingen van de smaaksamenstelling van atmosferische neutrino's hebben geen sluitend bewijs opgeleverd voor de minuscule, kortlevende zwarte gaten die zijn voorspeld door sommige theorieën over kwantumzwaartekracht. Het onderzoek werd uitgevoerd door onderzoekers die gebruik maakten van de IceCube Neutrino-observatorium op de Zuidpool en het resultaat plaatst enkele van de strengste beperkingen ooit op de aard van de kwantumzwaartekracht.

Het ontwikkelen van een levensvatbare theorie van kwantumzwaartekracht is een van de grootste uitdagingen in de natuurkunde. Tegenwoordig wordt de zwaartekracht heel goed beschreven door de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, die onverenigbaar is met de kwantumtheorie. Een belangrijk verschil is dat de algemene relativiteitstheorie een beroep doet op ruimte-tijdkromming om de zwaartekrachtaantrekking te verklaren, terwijl de kwantumtheorie gebaseerd is op vlakke ruimte-tijd.

Het vinden van een weg vooruit is een uitdaging omdat de twee theorieën op zeer verschillende energieschalen werken, wat het uitvoeren van experimenten die theorieën over kwantumzwaartekracht testen erg moeilijk maakt.

“Creatieve metingen”

“De afgelopen jaren zijn er creatieve metingen bedacht om te zoeken naar de kleine invloed van de kwantumzwaartekracht: hetzij via het gebruik van extreme precisie in laboratoriumexperimenten, hetzij door gebruik te maken van de hoogenergetische deeltjes die in het verre heelal worden geproduceerd”, legt hij uit. Thomas Stuttard aan de Universiteit van Kopenhagen, die lid is van de IceCube-samenwerking.

Een van deze nieuwe theorieën is het idee dat de kwantumeffecten van onzekerheid, gecombineerd met energiefluctuaties in het vacuüm van de ruimte, een tastbaar effect kunnen hebben op de kromming van ruimte-tijd, zoals beschreven door de algemene relativiteitstheorie. Dit zou kunnen resulteren in het ontstaan ​​van ‘virtuele zwarte gaten’. Als ze bestaan, zouden deze microscopisch kleine objecten vervallen in de orde van de Planck-tijd. Dit zijn er ongeveer 10-44 s en is het kleinste tijdsinterval dat kan worden beschreven door de huidige natuurkundige theorieën.

Als gevolg hiervan zouden virtuele zwarte gaten onmogelijk te detecteren zijn in het laboratorium. Maar als ze echt bestaan, voorspellen onderzoekers dat ze zouden moeten interageren met neutrino's, waardoor de manier waarop de deeltjes van smaak veranderen zou veranderen via het fenomeen van neutrino-oscillatie.

Kubieke kilometer ijs

Het team zocht naar bewijs van deze interacties in gegevens verzameld door het IceCube Neutrino Observatory, gelegen op de Zuidpool. Als 's werelds grootste neutrino-observatorium bestaat IceCube uit duizenden sensoren die verspreid over een kubieke kilometer Antarctisch ijs zijn geplaatst.

Deze sensoren detecteren opvallende lichtflitsen die worden gecreëerd door geladen leptonen en die worden geproduceerd door de interactie van neutrino's met het ijs. In deze laatste studie concentreerde het team zich op IceCube-detecties van hoogenergetische neutrino's die worden geproduceerd wanneer kosmische straling interageert met de atmosfeer van de aarde.

Stuttard legt uit dat hun zoektocht niet de eerste in zijn soort is. “Deze keer konden we echter gebruik maken van de natuurlijk hoge energie en de grote voortplantingsafstand van deze ‘atmosferische’ neutrino’s (in plaats van aardgebonden neutrinobronnen zoals deeltjesversnellers of kernreactoren), evenals van de hoge statistieken die worden geboden door de enorme detectorgrootte. Dit stelde ons in staat te zoeken naar effecten die veel zwakker zijn dan door enig eerder onderzoek kan worden onderzocht.”

Smaak samenstelling

In hun onderzoek onderzocht het team de smaaksamenstelling van meer dan 300,000 neutrino's, waargenomen door IceCube gedurende een periode van 8 jaar. Vervolgens vergeleken ze dit resultaat met de samenstelling die ze verwachtten te vinden als de neutrino's tijdens hun reis door de atmosfeer inderdaad interactie hadden gehad met virtuele zwarte gaten.

Zelfs met de extreme gevoeligheid van IceCube verschilden de resultaten niet van de smaakcomposities die werden voorspeld door het huidige model van neutrino-oscillatie. Voorlopig betekent dit dat de theorie van virtuele zwarte gaten nog steeds geen sluitend bewijs heeft.

Dit nulresultaat stelde het team echter wel in staat nieuwe limieten te stellen aan de maximaal mogelijke sterkte van de interacties tussen zwart gat en neutrino's, die ordes van grootte strenger zijn dan de limieten die in eerdere onderzoeken zijn gesteld.

“Afgezien van de kwantumzwaartekracht dient het resultaat ook om aan te tonen dat het neutrino echt onverstoorbaar lijkt te blijven door zijn omgeving, zelfs na een reis van duizenden kilometers, zelfs bij neutrino-energieën die groter zijn dan die van welke door de mens gemaakte botsing dan ook”, zegt Stuttard. “Dit was een opmerkelijke demonstratie van de kwantummechanica over werkelijk macroscopische afstanden.”

Meer in het algemeen plaatsen de bevindingen van het team nieuwe beperkingen op de theorie van de kwantumzwaartekracht als geheel, beperkingen die momenteel maar heel weinig tussen bestaan. “Hoewel dit werk bepaalde scenario’s verwerpt, wordt kwantumzwaartekracht als concept zeker niet uitgesloten”, voegt Stuttard toe. “De ware aard van de kwantumzwaartekracht kan verschillen van de aannames die in dit onderzoek zijn gedaan, of de effecten kunnen zwakker of sterker worden onderdrukt door energie dan eerder werd gedacht.”

Het onderzoek is beschreven in Natuurfysica.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld