Sök efter små svarta hål sätter hårdare begränsningar för kvantgravitationen – Physics World

Nya observationer av smaksammansättningen hos atmosfäriska neutriner har inte avslöjat några avgörande bevis för de små, kortlivade svarta hålen som har förutspåtts av vissa teorier om kvantgravitation. Studien gjordes av forskare som använder IceCube Neutrino Observatory på Sydpolen och resultatet sätter några av de strängaste begränsningarna någonsin för kvantgravitationens natur.

Att utveckla en hållbar teori om kvantgravitation är en av fysikens största utmaningar. I dag beskrivs gravitationen mycket väl av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, som är oförenlig med kvantteorin. En viktig skillnad är att allmän relativitet åberopar rum-tid krökning för att förklara gravitationsattraktion medan kvantteorin är baserad på platt rum-tid.

Att hitta en väg framåt är utmanande eftersom de två teorierna fungerar på väldigt olika energiskalor, vilket gör det mycket svårt att göra experiment som testar teorier om kvantgravitation.

"Kreativa mätningar"

"Under de senaste åren har kreativa mätningar utarbetats för att söka efter kvantgravitationens lilla inverkan: antingen genom användning av extrem precision i laboratorieexperiment eller genom att utnyttja de mycket energirika partiklarna som produceras i det avlägsna universum," förklarar Thomas Stuttard vid Köpenhamns universitet, som är medlem i IceCube-samarbetet.

Bland dessa nya teorier finns tanken att kvanteffekterna av osäkerhet, i kombination med energifluktuationer i rymdens vakuum, skulle kunna ha en påtaglig effekt på krökningen av rum-tid, som beskrivs av allmän relativitet. Detta kan resultera i skapandet av "virtuella svarta hål". Om de existerar skulle dessa mikroskopiska föremål förfalla i storleksordningen Planck-tid. Det här handlar om 10^-44 s och är det minsta tidsintervall som kan beskrivas av nuvarande fysikaliska teorier.

Som ett resultat skulle virtuella svarta hål vara omöjliga att upptäcka i labbet. Men om de verkligen existerar, förutspår forskare att de borde interagera med neutriner och förändra hur partiklarna ändrar smaktillstånd via fenomenet neutrinoscillation.

Kubikkilometer is

Teamet sökte efter bevis för dessa interaktioner i data som samlats in av IceCube Neutrino Observatory, beläget på sydpolen. Som världens största neutrinobservatorium består IceCube av tusentals sensorer placerade över en kubikkilometer Antarktis is.

Dessa sensorer upptäcker distinkta ljusblixtar skapade av laddade leptoner som produceras varför neutriner interagerar med isen. I den här senaste studien fokuserade teamet på IceCube-detektioner av högenergineutriner som produceras när kosmiska strålar interagerar med jordens atmosfär.

Stuttard förklarar att deras sökning inte är den första i sitt slag. "Den här gången kunde vi dock utnyttja den naturligt höga energin och det stora utbredningsavståndet för dessa "atmosfäriska" neutrinos (snarare än jordbundna neutrinokällor som partikelacceleratorer eller kärnreaktorer), såväl som den höga statistik som den enorma detektorstorlek. Detta gjorde det möjligt för oss att söka efter effekter som är mycket svagare än vad som kan undersökas av någon tidigare studie."

Smaksammansättning

I sin studie undersökte teamet smaksammansättningen av över 300,000 8 neutrinos, observerade av IceCube under en XNUMX-årsperiod. De jämförde sedan detta resultat med den sammansättning de förväntade sig att hitta om neutrinonen verkligen hade interagerat med virtuella svarta hål på sin resa genom atmosfären.

Även med den extrema känsligheten som IceCube erbjuder, skilde sig inte resultaten från de smaksammansättningar som förutspåtts av den nuvarande modellen för neutrinoscillation. För närvarande betyder detta att teorin om virtuella svarta hål kvarstår utan några avgörande bevis.

Att komma närmare mätning av kvantgravitation

Detta nollresultat gjorde det dock möjligt för teamet att sätta nya gränser för den maximala möjliga styrkan av interaktioner mellan svarta hål och neutrino, som är storleksordningar strängare än gränserna som satts i tidigare studier.

"Bortsett från kvantgravitationen tjänar resultatet också till att visa att neutrinon verkar förbli verkligt oberörd av sin miljö även efter att ha färdats tusentals kilometer, även för neutrinoenergier som överstiger alla konstgjorda kolliderar", säger Stuttard. "Detta var en anmärkningsvärd demonstration av kvantmekanik över verkligt makroskopiska avstånd."

Mer allmänt sätter teamets resultat nya begränsningar för teorin om kvantgravitation som helhet, begränsningar som för närvarande är få och långt emellan. "Även om det här arbetet avvisar vissa scenarier, är kvantgravitation som koncept verkligen inte uteslutet," tillägger Stuttard. "Kvantumgravitationens sanna natur kan skilja sig från de antaganden som gjorts i den här studien, eller så kan effekterna vara svagare eller kraftigare undertryckta med energi än tidigare trott."

Forskningen beskrivs i Naturfysik.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/search-for-tiny-black-holes-puts-tighter-constraints-on-quantum-gravity/