Søk etter bittesmå sorte hull setter strengere begrensninger på kvantetyngdekraften – Physics World

Søk etter bittesmå sorte hull setter strengere begrensninger på kvantetyngdekraften – Physics World

Tidsstempel: 26. april 2024 8:06


IceCube Neutrino Observatory
Toppen av isfjellet: IceCube-bygningen ligger på toppen av en kvadratkilometer med is som brukes til å oppdage nøytrinoer. (Med tillatelse: Christopher Michel/CC BY-SA 4.0)

Nye observasjoner av smakssammensetningen til atmosfæriske nøytrinoer har ikke avslørt noen avgjørende bevis for de små, kortvarige sorte hullene som har blitt forutsagt av noen teorier om kvantetyngdekraft. Studien ble gjort av forskere ved hjelp av IceCube Neutrino Observatory på Sydpolen, og resultatet legger noen av de strengeste begrensningene noensinne for kvantetyngdekraftens natur.

Å utvikle en levedyktig teori om kvantetyngdekraft er en av de største utfordringene i fysikk. I dag beskrives tyngdekraften meget godt av Albert Einsteins generelle relativitetsteori, som er uforenlig med kvanteteori. En viktig forskjell er at generell relativitet påkaller rom-tid krumning for å forklare gravitasjonsattraksjon mens kvanteteori er basert på flat rom-tid.

Å finne en vei videre er utfordrende fordi de to teoriene fungerer på svært forskjellige energiskalaer, noe som gjør eksperimenter som tester teorier om kvantetyngdekraft veldig vanskelig.

"Kreative målinger"

"I de siste årene har kreative målinger blitt utviklet for å søke etter den lille påvirkningen av kvantetyngdekraften: enten ved bruk av ekstrem presisjon i laboratorieeksperimenter, eller ved å utnytte de svært energiske partiklene som produseres i det fjerne univers," forklarer Thomas Stuttard ved Københavns Universitet, som er medlem av IceCube-samarbeidet.

Blant disse nye teoriene er ideen om at kvanteeffektene av usikkerhet, kombinert med energisvingninger i rommets vakuum, kan ha en håndgripelig effekt på krumningen av rom-tid, som beskrevet av generell relativitet. Dette kan resultere i dannelsen av "virtuelle sorte hull". Hvis de eksisterer, ville disse mikroskopiske objektene forfalle i størrelsesorden Planck-tid. Dette er ca 10-44 s og er det minste tidsintervallet som kan beskrives av gjeldende fysiske teorier.

Som et resultat ville virtuelle sorte hull være umulig å oppdage i laboratoriet. Men hvis de virkelig eksisterer, spår forskere at de bør samhandle med nøytrinoer, og endre hvordan partiklene endrer smakstilstander via fenomenet nøytrinoscillasjon.

Kubikkkilometer med is

Teamet søkte etter bevis for disse interaksjonene i data samlet inn av IceCube Neutrino Observatory, som ligger på Sydpolen. Som verdens største nøytrinoobservatorium består IceCube av tusenvis av sensorer plassert over en kubikkkilometer med is i Antarktis.

Disse sensorene oppdager karakteristiske lysglimt skapt av ladede leptoner som produseres hvorfor nøytrinoer samhandler med isen. I denne siste studien fokuserte teamet på IceCube-deteksjoner av høyenerginøytrinoer produsert når kosmiske stråler samhandler med jordens atmosfære.

Stuttard forklarer at søket deres ikke er det første i sitt slag. "Denne gangen var vi imidlertid i stand til å utnytte den naturlig høye energien og store forplantningsavstanden til disse 'atmosfæriske' nøytrinoene (i stedet for jordbundne nøytrinokilder som partikkelakseleratorer eller atomreaktorer), samt den høye statistikken som tilbys av de enorme detektorstørrelse. Dette gjorde oss i stand til å søke etter effekter som er langt svakere enn det som kan undersøkes av noen tidligere studie."

Smaksammensetning

I sin studie undersøkte teamet smaksammensetningen til over 300,000 8 nøytrinoer, observert av IceCube over en XNUMX-års periode. De sammenlignet deretter dette resultatet med sammensetningen de forventet å finne om nøytrinoene faktisk hadde samhandlet med virtuelle sorte hull på deres reise gjennom atmosfæren.

Selv med den ekstreme følsomheten som tilbys av IceCube, var resultatene ikke forskjellig fra smakssammensetningene forutsagt av den nåværende modellen for nøytrinoscillasjon. Foreløpig betyr dette at teorien om virtuelle sorte hull forblir uten noen avgjørende bevis.

Dette nullresultatet tillot imidlertid teamet å sette nye grenser for den maksimalt mulige styrken til interaksjoner mellom svart hull og nøytrino, som er strengere enn grensene satt i tidligere studier.

"Bortsett fra kvantetyngdekraften, tjener resultatet også til å demonstrere at nøytrinoen ser ut til å forbli virkelig uforstyrret av miljøet selv etter å ha reist tusenvis av kilometer, selv for nøytrinoenergier som overstiger enhver menneskeskapt kolliderer," sier Stuttard. "Dette var en bemerkelsesverdig demonstrasjon av kvantemekanikk over virkelig makroskopiske avstander."

Mer generelt setter teamets funn nye begrensninger på teorien om kvantetyngdekraften som helhet, begrensninger som for tiden er få og langt mellom. "Selv om dette arbeidet avviser visse scenarier, er kvantetyngdekraften som konsept absolutt ikke utelukket," legger Stuttard til. "Den sanne naturen til kvantetyngdekraften kan avvike fra antakelsene gjort i denne studien, eller effektene kan være svakere eller sterkere undertrykt med energi enn tidligere antatt."

Forskningen er beskrevet i Naturfysikk.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden