Los neutrinos ultrarelativistas lanzados al espacio durante explosiones de rayos gamma son frenados por los efectos de la gravedad cuántica. Ésta es la conclusión de físicos de Italia, Polonia y Noruega, que han detectado siete neutrinos que llegaron a la Tierra más tarde de lo esperado, en comparación con sus compañeros, los rayos gamma.
La teoría cuántica hace un trabajo fantástico al describir interacciones que involucran tres de las cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza. Sin embargo, hoy en día no existe ninguna teoría que describa adecuadamente la naturaleza cuántica de la gravedad. Si bien se han propuesto teorías de la gravedad cuántica, tienden a hacer predicciones que actualmente no pueden probarse mediante experimentos u observaciones.
Una predicción que los físicos tienen posibilidades de confirmar hoy es que las partículas que se mueven muy cerca de la velocidad de la luz perderán energía debido a un efecto gravitacional cuántico. Cuanto más rápido se mueve la partícula, más se potencia el efecto. Si bien el efecto es extremadamente pequeño, si las partículas se crean en un evento astrofísico a miles de millones de años luz de distancia, el resultado acumulativo sería un retraso que podría medirse cuando las partículas lleguen a la Tierra.
neutrinos tardíos
Ahora, un equipo dirigido por Giovanni Amelino Camelia de la Universidad de Nápoles han buscado este efecto en datos de neutrinos recopilados por el Observatorio de neutrinos IceCube. Situado en el Polo Sur, el observatorio detecta neutrinos cuando interactúan ocasionalmente dentro de un kilómetro cúbico de hielo.
Los investigadores identificaron siete neutrinos que tienen altas probabilidades de provenir de explosiones de rayos gamma. Se trata de eventos altamente energéticos que se producen ya sea por las supernovas de las estrellas más masivas o por la colisión de estrellas de neutrones. Los rayos gamma de estas explosiones específicas también fueron detectados por la NASA. Telescopio espacial de rayos gamma Fermi.
Curiosamente, estos neutrinos parecen haber llegado a la Tierra hasta tres días después de que se detectaran los rayos gamma, lo que sugiere que algo los había retrasado. Se espera un retraso de tres días para partículas con energías de hasta 500 TeV. En comparación, los neutrinos con energías más altas, de hasta 2 PeV, requerirían una ventana de retraso de 12 días, que es demasiado larga para identificarlos positivamente con un estallido de rayos gamma específico.
Amelino-Camelia explica: "Las partículas obtienen esta contribución adicional a su velocidad, que es negativa, y crece en magnitud a medida que crece su energía".
Ubicación, ubicación
Sin embargo, no todos están convencidos. Tepei Katori del Kings College de Londres, que no participó en el trabajo, señala que los siete neutrinos candidatos son todos del “tipo cascada”. En un evento en cascada, un neutrino ingresa al Observatorio IceCube y deposita toda su energía en una pequeña región esférica, lo que dificulta determinar la dirección de donde vino el neutrino. Esto es diferente a un “evento de seguimiento”, que produce una señal que apunta al punto de origen del neutrino en el cosmos.
"No sabemos exactamente de dónde proceden estos neutrinos", explica Katori.
De hecho, ni siquiera está claro que los estallidos de rayos gamma produzcan un número significativo de neutrinos. Katori cita trabajo anterior describiendo una búsqueda de neutrinos a partir de estallidos de rayos gamma que no logró encontrar una correlación entre los dos. Sin embargo, admite que esta búsqueda no tuvo en cuenta los retrasos causados por los efectos de la gravedad cuántica.
En 2022, Katori, que forma parte de la colaboración IceCube, fue líder científico en otro experimento buscando efectos de gravedad cuántica en neutrinos. Específicamente, este estudio analizó cómo la gravedad cuántica podría afectar las oscilaciones de neutrinos.
Los neutrinos vienen en tres “sabores” diferentes (electrón, muón y tau) y las partículas pueden oscilar de un sabor a otro. Aunque el experimento no encontró evidencia de que la gravedad cuántica afectara las oscilaciones de neutrinos, fue el primer experimento en probar estas oscilaciones a un nivel en el que la gravedad cuántica debería ser relevante. Como tal, el experimento pudo imponer restricciones a los modelos de gravedad cuántica que predicen variaciones en las oscilaciones.
Implicaciones para la cosmología
Si la gravedad cuántica realmente está frenando a los neutrinos, tanto Amelino-Camelia como Katori coinciden en que la observación sería un gran paso adelante en la comprensión de la gravedad cuántica y su papel en la evolución del universo.
Sin embargo, señala Amelino-Camelia, “si el efecto sólo existe para los neutrinos y otras partículas de espín semientero, entonces las implicaciones para la cosmología podrían ser menores”.
La gravedad cuántica pronto podría probarse utilizando átomos ultrafríos
Para Katori, el resultado más significativo de confirmar un retraso es que los físicos podrían utilizarlo para calcular el tamaño del efecto de la gravedad cuántica. Esto permitiría a los físicos evaluar modelos competitivos de gravedad cuántica y dar el siguiente paso y diseñar experimentos y observatorios para medir el efecto con mayor precisión.
"Todavía existe una brecha entre los modelos fenomenológicos motivados por la gravedad cuántica y las teorías de la gravedad cuántica", dice Katori. "Creo que llenar este vacío es un desafío [pero] encontrar cualquier efecto motivado por la gravedad cuántica es el primer paso".
La búsqueda de neutrinos a partir de explosiones de rayos gamma se beneficiará de la construcción de IceCube-Gen2, lo que aumentará el tamaño del volumen del detector a ocho kilómetros cúbicos de hielo, mejorando la capacidad del observatorio para identificar el origen de los neutrinos.
La investigación se describe en Naturaleza Astronomía.
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