I neutrini ultrarelativistici lanciati nello spazio durante i lampi di raggi gamma vengono rallentati dagli effetti della gravità quantistica. Questa è la conclusione dei fisici italiani, polacchi e norvegesi, che hanno individuato sette neutrini arrivati sulla Terra più tardi del previsto, rispetto ai raggi gamma loro compagni.
La teoria quantistica fa un lavoro fantastico nel descrivere le interazioni che coinvolgono tre delle quattro forze conosciute della natura. Tuttavia, oggi non esiste alcuna teoria che descriva adeguatamente la natura quantistica della gravità. Sebbene siano state proposte teorie sulla gravità quantistica, queste tendono a fare previsioni che attualmente non possono essere testate mediante esperimenti o osservazioni.
Una previsione che i fisici hanno la possibilità di confermare oggi è che le particelle che si muovono molto vicine alla velocità della luce perderanno energia a causa di un effetto gravitazionale quantistico. Più velocemente si muove la particella, più l'effetto viene potenziato. Anche se l’effetto è estremamente piccolo, se le particelle venissero create in un evento astrofisico distante miliardi di anni luce, il risultato cumulativo sarebbe un ritardo che potrebbe essere misurato quando le particelle arrivano sulla Terra.
Neutrini tardivi
Ora, una squadra guidata da Giovanni Amelino-Camelia dell'Università di Napoli hanno cercato questo effetto nei dati sui neutrini raccolti dal Osservatorio IceCube Neutrino. Situato al Polo Sud, l’osservatorio rileva i neutrini quando interagiscono occasionalmente all’interno di un chilometro cubo di ghiaccio.
I ricercatori hanno identificato sette neutrini che hanno un'alta probabilità di provenire da lampi di raggi gamma. Si tratta di eventi altamente energetici che vengono prodotti o dalle supernove delle stelle più massicce, oppure dalla collisione di stelle di neutroni. Anche i raggi gamma provenienti da queste specifiche esplosioni sono stati rilevati dalla NASA Telescopio spaziale a raggi gamma Fermi.
Curiosamente, questi neutrini sembrano essere arrivati sulla Terra fino a tre giorni dopo la rilevazione dei raggi gamma, suggerendo che qualcosa li aveva ritardati. Il ritardo di tre giorni è previsto per particelle con energie fino a 500 TeV. In confronto, i neutrini con energie più elevate, fino a 2 PeV, richiederebbero una finestra di ritardo di 12 giorni, che è troppo lunga per identificarli positivamente con uno specifico lampo di raggi gamma.
Amelino-Camelia spiega: “Le particelle ottengono questo contributo extra alla loro velocità, che è negativo, e aumenta di grandezza man mano che cresce la loro energia”.
Posizione, posizione
Tuttavia, non tutti sono convinti. Teppei Katori del Kings College di Londra, che non è stato coinvolto nel lavoro, sottolinea che i sette neutrini candidati sono tutti del “tipo a cascata”. In un evento a cascata, un neutrino entra nell'Osservatorio IceCube e deposita tutta la sua energia in una piccola regione sferica rendendo difficile determinare la direzione da cui proviene. Questo è diverso da un "evento traccia", che produce un segnale che punta al punto di origine del neutrino nel cosmo.
"Non sappiamo da dove provengano esattamente questi neutrini", spiega Katori.
In effetti, non è nemmeno chiaro se i lampi di raggi gamma producano effettivamente un numero significativo di neutrini. Katori cita lavoro precedente descrivendo una ricerca di neutrini provenienti da lampi di raggi gamma che non è riuscita a trovare una correlazione tra i due. Tuttavia, ammette che questa ricerca non ha tenuto conto di eventuali ritardi causati dagli effetti della gravità quantistica.
Nel 2022, Katori, che fa parte della collaborazione IceCube, è stato un leader scientifico un altro esperimento alla ricerca degli effetti della gravità quantistica nei neutrini. Nello specifico, questo studio ha esaminato come la gravità quantistica potrebbe influenzare le oscillazioni dei neutrini.
I neutrini sono disponibili in tre diversi “sapori” – elettrone, muone e tau – e le particelle possono oscillare da un sapore all’altro. Sebbene l’esperimento non abbia trovato prove che la gravità quantistica influenzi le oscillazioni dei neutrini, è stato il primo esperimento a sondare queste oscillazioni a un livello in cui la gravità quantistica dovrebbe essere rilevante. Pertanto, l’esperimento è stato in grado di imporre vincoli ai modelli di gravità quantistica che prevedono variazioni nelle oscillazioni.
Implicazioni per la cosmologia
Se la gravità quantistica sta effettivamente rallentando i neutrini, sia Amelino-Camelia che Katori concordano sul fatto che l’osservazione rappresenterebbe un importante passo avanti nella comprensione della gravità quantistica e del suo ruolo nell’evoluzione dell’universo.
Tuttavia, sottolinea Amelino-Camelia, “Se l’effetto è presente solo per i neutrini e altre particelle con spin semiintero, allora le implicazioni per la cosmologia potrebbero essere minori”.
La gravità quantistica potrebbe presto essere testata utilizzando atomi ultrafreddi
Per Katori, il risultato più significativo della conferma di un ritardo è che i fisici potrebbero usarlo per calcolare la dimensione dell’effetto della gravità quantistica. Ciò consentirebbe ai fisici di valutare modelli concorrenti di gravità quantistica e di fare il passo successivo e progettare esperimenti e osservatori per misurare l’effetto in modo più preciso.
“C’è ancora un divario tra i modelli fenomenologici motivati dalla gravità quantistica e le teorie della gravità quantistica”, afferma Katori. “Penso che colmare questa lacuna sia impegnativo, ma trovare un qualsiasi effetto motivato dalla gravità quantistica è il primo passo”.
La ricerca dei neutrini provenienti dai lampi di raggi gamma trarrà beneficio dalla costruzione di IceCube-Gen2, che aumenterà la dimensione del volume del rilevatore fino a otto chilometri cubi di ghiaccio, migliorando la capacità dell'osservatorio di individuare l'origine dei neutrini.
La ricerca è descritta in Astronomia naturale.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/is-quantum-gravity-slowing-down-neutrinos/
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