Ultrarelativistische Neutrinos, die bei Gammastrahlenausbrüchen in den Weltraum geschleudert werden, werden durch die Wirkung der Quantengravitation verlangsamt. Zu diesem Schluss kommen Physiker in Italien, Polen und Norwegen, die sieben Neutrinos entdeckt haben, die im Vergleich zu ihren begleitenden Gammastrahlen später als erwartet auf der Erde eintrafen.
Die Quantentheorie leistet hervorragende Arbeit bei der Beschreibung von Wechselwirkungen, an denen drei der vier bekannten Naturkräfte beteiligt sind. Allerdings gibt es heute keine Theorie, die die Quantennatur der Schwerkraft angemessen beschreibt. Obwohl Theorien zur Quantengravitation vorgeschlagen wurden, neigen sie dazu, Vorhersagen zu treffen, die derzeit nicht durch Experimente oder Beobachtungen überprüft werden können.
Eine Vorhersage, die Physiker heute bestätigen können, ist, dass Teilchen, die sich sehr nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, aufgrund eines Quantengravitationseffekts Energie verlieren. Je schneller sich das Teilchen bewegt, desto stärker wird der Effekt. Der Effekt ist zwar äußerst gering, aber wenn die Partikel bei einem astrophysikalischen Ereignis in Milliarden Lichtjahren Entfernung entstehen, wäre das kumulative Ergebnis eine Verzögerung, die gemessen werden könnte, wenn die Partikel auf der Erde ankommen.
Späte Neutrinos
Jetzt ein Team unter der Leitung von Giovanni Amelino-Camelia von der Universität Neapel haben nach diesem Effekt in Neutrinodaten gesucht, die von der Universität Neapel gesammelt wurden IceCube Neutrino-Observatorium. Das am Südpol gelegene Observatorium erkennt Neutrinos, wenn sie gelegentlich innerhalb eines Kubikkilometers Eis interagieren.
Die Forscher identifizierten sieben Neutrinos, die mit hoher Wahrscheinlichkeit aus Gammastrahlenausbrüchen stammen. Hierbei handelt es sich um hochenergetische Ereignisse, die entweder durch Supernovae der massereichsten Sterne oder durch kollidierende Neutronensterne erzeugt werden. Gammastrahlen dieser spezifischen Ausbrüche wurden auch von der NASA entdeckt Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop.
Verlockenderweise scheinen diese Neutrinos bis zu drei Tage nach der Entdeckung der Gammastrahlen auf der Erde angekommen zu sein, was darauf hindeutet, dass sie durch etwas verzögert wurden. Die dreitägige Verzögerung wird für Teilchen mit Energien bis zu 500 TeV erwartet. Im Vergleich dazu würden Neutrinos mit höheren Energien bis zu 2 PeV ein Verzögerungsfenster von 12 Tagen benötigen, was zu lang ist, um sie eindeutig einem bestimmten Gammastrahlenausbruch zuzuordnen.
Amelino-Camelia erklärt: „Die Teilchen erhalten diesen zusätzlichen Beitrag zu ihrer Geschwindigkeit, der negativ ist und mit zunehmender Energie größer wird.“
Standort, Standort
Allerdings sind nicht alle davon überzeugt. Teppei Katori vom Kings College London, der nicht an der Arbeit beteiligt war, weist darauf hin, dass die sieben Kandidaten-Neutrinos alle vom „Kaskadentyp“ sind. Bei einem Kaskadenereignis dringt ein Neutrino in das IceCube-Observatorium ein und deponiert seine gesamte Energie in einem kleinen, kugelförmigen Bereich, was es schwierig macht, die Richtung zu bestimmen, aus der das Neutrino kam. Dies ist anders als bei einem „Track-Ereignis“, bei dem ein Signal erzeugt wird, das auf den Ursprungsort des Neutrinos im Kosmos hinweist.
„Wir wissen nicht genau, woher diese Neutrinos kommen“, erklärt Katori.
Tatsächlich ist nicht einmal klar, dass Gammastrahlenausbrüche tatsächlich eine nennenswerte Anzahl von Neutrinos erzeugen. Katori zitiert frühere Arbeit beschreibt eine Suche nach Neutrinos aus Gammastrahlenausbrüchen, bei der keine Korrelation zwischen beiden gefunden werden konnte. Er räumt jedoch ein, dass bei dieser Suche keine Verzögerungen berücksichtigt wurden, die durch Quantengravitationseffekte verursacht wurden.
Im Jahr 2022 war Katori – die Teil der IceCube-Kollaboration ist – wissenschaftlicher Leiter ein anderes Experiment auf der Suche nach Quantengravitationseffekten in Neutrinos. In dieser Studie wurde insbesondere untersucht, wie die Quantengravitation Neutrino-Oszillationen beeinflussen könnte.
Neutrinos gibt es in drei verschiedenen „Geschmacksrichtungen“ – Elektron, Myon und Tau – und die Teilchen können von einer Geschmacksrichtung zur anderen wechseln. Obwohl das Experiment keine Hinweise darauf fand, dass die Quantengravitation die Neutrino-Oszillationen beeinflusst, war es das erste Experiment, das diese Oszillationen auf einem Niveau untersuchte, bei dem die Quantengravitation relevant sein sollte. Somit war das Experiment in der Lage, Quantengravitationsmodellen Beschränkungen aufzuerlegen, die Schwankungen der Schwingungen vorhersagen.
Implikationen für die Kosmologie
Wenn die Quantengravitation tatsächlich Neutrinos verlangsamt, sind sich sowohl Amelino-Camelia als auch Katori einig, dass die Beobachtung einen großen Fortschritt beim Verständnis der Quantengravitation und ihrer Rolle in der Entwicklung des Universums darstellen würde.
Amelino-Camelia weist jedoch darauf hin: „Wenn der Effekt nur bei Neutrinos und anderen halbzahligen Spinteilchen auftritt, könnten die Auswirkungen auf die Kosmologie gering sein.“
Die Quantengravitation könnte bald mit ultrakalten Atomen getestet werden
Für Katori besteht das wichtigste Ergebnis der Bestätigung einer Verzögerung darin, dass Physiker damit die Größe des Quantengravitationseffekts berechnen könnten. Dies würde es Physikern ermöglichen, konkurrierende Modelle der Quantengravitation zu bewerten – und den nächsten Schritt zu gehen und Experimente und Observatorien zu entwerfen, um den Effekt genauer zu messen.
„Es besteht immer noch eine Lücke zwischen durch Quantengravitation motivierten Phänomenologiemodellen und Quantengravitationstheorien“, sagt Katori. „Ich denke, dass es eine Herausforderung ist, diese Lücke zu schließen, [aber] einen durch die Quantengravitation motivierten Effekt zu finden, ist der erste Schritt.“
Die Suche nach Neutrinos aus Gammastrahlenausbrüchen wird vom Bau profitieren IceCube-Gen2Dadurch wird das Detektorvolumen auf acht Kubikkilometer Eis vergrößert und die Fähigkeit des Observatoriums verbessert, die Ursprünge von Neutrinos zu lokalisieren.
Die Forschung ist beschrieben in Natur Astronomie.
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