Iskanje drobnih črnih lukenj postavlja strožje omejitve za kvantno gravitacijo – Svet fizike

Nova opazovanja sestave okusa atmosferskih nevtrinov niso razkrila prepričljivih dokazov za majhne, ​​kratkotrajne črne luknje, ki so jih predvidevale nekatere teorije kvantne gravitacije. Študijo so opravili raziskovalci z uporabo Nevtrinski observatorij IceCube na južnem polu in rezultat postavlja nekaj najstrožjih omejitev za naravo kvantne gravitacije.

Razvijanje izvedljive teorije kvantne gravitacije je eden največjih izzivov v fiziki. Danes gravitacijo zelo dobro opisuje splošna relativnostna teorija Alberta Einsteina, ki ni združljiva s kvantno teorijo. Ena pomembna razlika je v tem, da se splošna relativnost sklicuje na ukrivljenost prostora in časa, da bi razložila gravitacijsko privlačnost, medtem ko kvantna teorija temelji na ravnem prostoru in času.

Iskanje poti naprej je izziv, ker obe teoriji delujeta na zelo različnih energijskih lestvicah, zaradi česar je izvajanje poskusov, ki preizkušajo teorije kvantne gravitacije, zelo težko.

"Kreativne meritve"

"V zadnjih letih so bile oblikovane ustvarjalne meritve za iskanje majhnega vpliva kvantne gravitacije: bodisi z uporabo izjemne natančnosti v laboratorijskih poskusih bodisi z izkoriščanjem visoko energijskih delcev, proizvedenih v oddaljenem vesolju," pojasnjuje. Thomas Stuttard na Univerzi v Kopenhagnu, ki je član kolaboracije IceCube.

Med temi novimi teorijami je zamisel, da bi lahko kvantni učinki negotovosti v kombinaciji z energijskimi nihanji v vakuumu prostora imeli otipljiv učinek na ukrivljenost prostora-časa, kot ga opisuje splošna relativnostna teorija. To bi lahko povzročilo nastanek "virtualnih črnih lukenj". Če obstajajo, bi ti mikroskopski predmeti razpadali po Planckovem času. To je okoli 10^-44 s in je najmanjši časovni interval, ki ga je mogoče opisati s trenutnimi fizikalnimi teorijami.

Posledično bi bilo virtualnih črnih lukenj nemogoče zaznati v laboratoriju. Če pa res obstajajo, raziskovalci predvidevajo, da bi morali delovati z nevtrini in spreminjati, kako delci spreminjajo okusna stanja s pojavom nihanja nevtrinov.

Kubični kilometer ledu

Ekipa je iskala dokaze o teh interakcijah v podatkih, ki jih je zbral observatorij za nevtrine IceCube, ki se nahaja na južnem polu. Kot največji svetovni observatorij nevtrinov IceCube sestavlja na tisoče senzorjev, nameščenih v kubičnem kilometru antarktičnega ledu.

Ti senzorji zaznavajo značilne bliske svetlobe, ki jih ustvarjajo nabiti leptoni, ki nastanejo zaradi interakcije nevtrinov z ledom. V tej zadnji študiji se je ekipa osredotočila na IceCube zaznave visokoenergijskih nevtrinov, ki nastanejo, ko kozmični žarki medsebojno delujejo z Zemljino atmosfero.

Stuttard pojasnjuje, da njihovo iskanje ni prvo te vrste. »Tokrat pa smo lahko izkoristili naravno visoko energijo in veliko razdaljo širjenja teh 'atmosferskih' nevtrinov (namesto zemeljskih virov nevtrinov, kot so pospeševalci delcev ali jedrski reaktorji), kot tudi visoko statistiko, ki jo omogoča obsežna velikost detektorja. To nam je omogočilo, da poiščemo učinke, ki so veliko šibkejši, kot jih je mogoče raziskati s katero koli prejšnjo študijo.

Sestava okusa

V svoji študiji je ekipa preučila sestavo okusa več kot 300,000 nevtrinov, ki jih je IceCube opazoval v 8-letnem obdobju. Nato so ta rezultat primerjali s sestavo, ki so jo pričakovali, da bi našli, če bi nevtrini na svojem potovanju skozi atmosfero res sodelovali z virtualnimi črnimi luknjami.

Tudi z izjemno občutljivostjo, ki jo ponuja IceCube, se rezultati niso razlikovali od sestav okusov, ki jih predvideva trenutni model oscilacije nevtrinov. Za zdaj to pomeni, da teorija o virtualnih črnih luknjah ostaja brez prepričljivih dokazov.

Približevanje merjenju kvantne gravitacije

Vendar pa je ta ničelni rezultat ekipi omogočil, da postavi nove omejitve na največjo možno moč interakcij črne luknje in nevtrina, ki so za velikostni red strožje od omejitev, določenih v prejšnjih študijah.

»Poleg kvantne gravitacije rezultat služi tudi za dokazovanje, da se zdi, da nevtrino resnično ne moti njegovo okolje, tudi po prevoženih tisočih kilometrih, tudi pri energijah nevtrinov, ki presegajo kateri koli trkalnik, ki ga je izdelal človek,« pravi Stuttard. "To je bil izjemen prikaz kvantne mehanike na resnično makroskopskih razdaljah."

Gledano širše, ugotovitve ekipe postavljajo nove omejitve na teorijo kvantne gravitacije kot celote, omejitve, ki jih je trenutno malo. "Čeprav to delo zavrača določene scenarije, kvantna gravitacija kot koncept zagotovo ni izključena," dodaja Stuttard. "Prava narava kvantne gravitacije se lahko razlikuje od predpostavk v tej študiji ali pa so učinki šibkejši ali močneje potlačeni z energijo, kot je bilo prej."

Raziskava je opisana v Naravna fizika.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/search-for-tiny-black-holes-puts-tighter-constraints-on-quantum-gravity/