Neutrinos ultra-relativísticos lançados no espaço durante explosões de raios gama são desacelerados pelos efeitos da gravidade quântica. Essa é a conclusão de físicos na Itália, Polônia e Noruega, que detectaram sete neutrinos que chegaram à Terra mais tarde do que o esperado, em comparação com seus companheiros raios gama.
A teoria quântica faz um trabalho fantástico ao descrever as interações que envolvem três das quatro forças conhecidas da natureza. No entanto, não há nenhuma teoria hoje que descreva adequadamente a natureza quântica da gravidade. Embora tenham sido propostas teorias da gravidade quântica, elas tendem a fazer previsões que atualmente não podem ser testadas por experimento ou observação.
Uma previsão que os físicos têm chance de confirmar hoje é que as partículas que se movem muito perto da velocidade da luz perderão energia por causa de um efeito gravitacional quântico. Quanto mais rápido a partícula estiver se movendo, mais o efeito é aprimorado. Embora o efeito seja extremamente pequeno, se as partículas forem criadas em um evento astrofísico a bilhões de anos-luz de distância, o resultado cumulativo seria um atraso que poderia ser medido quando as partículas chegassem à Terra.
neutrinos tardios
Agora, uma equipe liderada por Giovanni Amelino-Camélia da Universidade de Nápoles procuraram esse efeito em dados de neutrinos coletados pelo Observatório de Neutrinos IceCube. Localizado no Pólo Sul, o observatório detecta neutrinos quando eles ocasionalmente interagem dentro de um quilômetro cúbico de gelo.
Os pesquisadores identificaram sete neutrinos com alta probabilidade de vir de rajadas de raios gama. Estes são eventos altamente energéticos que são produzidos pelas supernovas das estrelas mais massivas ou pela colisão de estrelas de nêutrons. Os raios gama dessas explosões específicas também foram detectados pela NASA Telescópio espacial de raios gama Fermi.
Curiosamente, esses neutrinos parecem ter chegado à Terra até três dias após a detecção dos raios gama, sugerindo que algo os atrasou. O atraso de três dias é esperado para partículas com energias de até 500 TeV. Em comparação, neutrinos com energias mais altas de até 2 PeV exigiriam uma janela de atraso de 12 dias, que é muito longa para identificá-los positivamente com uma explosão específica de raios gama.
Amelino-Camelia explica: “As partículas recebem essa contribuição extra para sua velocidade, que é negativa, e cresce em magnitude à medida que sua energia aumenta”.
Localização, localização
No entanto, nem todos estão convencidos. Teppei Katori do Kings College London, que não participou do trabalho, aponta que os sete neutrinos candidatos são todos do “tipo cascata”. Em um evento em cascata, um neutrino entra no Observatório IceCube e deposita toda a sua energia em uma pequena região esférica, dificultando a determinação da direção de onde veio o neutrino. Isso é diferente de um “evento de rastreamento”, que produz um sinal que aponta para o ponto de origem do neutrino no cosmos.
“Não sabemos exatamente de onde vêm esses neutrinos”, explica Katori.
De fato, nem mesmo está claro se as explosões de raios gama produzem um número significativo de neutrinos. Katori cita trabalho anterior descrevendo uma busca por neutrinos de explosões de raios gama que não conseguiram encontrar uma correlação entre os dois. No entanto, ele aceita que esta busca não levou em conta quaisquer atrasos causados por efeitos de gravidade quântica.
Em 2022, Katori – que faz parte da colaboração IceCube – foi um líder científico em outro experimento procurando efeitos de gravidade quântica em neutrinos. Especificamente, este estudo analisou como a gravidade quântica poderia afetar as oscilações de neutrinos.
Os neutrinos vêm em três “sabores” diferentes – elétron, múon e tau – e as partículas podem oscilar de um sabor para outro. Embora o experimento não tenha encontrado evidências de gravidade quântica afetando as oscilações de neutrinos, foi o primeiro experimento a sondar essas oscilações em um nível em que a gravidade quântica deveria ser relevante. Como tal, o experimento foi capaz de impor restrições aos modelos de gravidade quântica que prevêem variações nas oscilações.
Implicações para a cosmologia
Se a gravidade quântica está de fato desacelerando os neutrinos, tanto Amelino-Camelia quanto Katori concordam que a observação seria um grande passo adiante na compreensão da gravidade quântica e seu papel na evolução do universo.
No entanto, Amelino-Camelia aponta: “Se o efeito existe apenas para neutrinos e outras partículas de spin semi-inteiro, então as implicações para a cosmologia podem ser menores”.
A gravidade quântica poderá em breve ser testada usando átomos ultrafrios
Para Katori, o resultado mais significativo da confirmação de um atraso é que os físicos poderiam usá-lo para calcular o tamanho do efeito da gravidade quântica. Isso permitiria aos físicos avaliar modelos concorrentes de gravidade quântica – e dar o próximo passo e projetar experimentos e observatórios para medir o efeito com mais precisão.
“Ainda há uma lacuna entre os modelos fenomenológicos motivados pela gravidade quântica e as teorias da gravidade quântica”, diz Katori. “Acho que preencher essa lacuna é um desafio [mas] encontrar qualquer efeito motivado pela gravidade quântica é o primeiro passo.”
A busca por neutrinos de rajadas de raios gama se beneficiará com a construção de IceCube-Gen2, o que aumentará o tamanho do volume do detector para oito quilômetros cúbicos de gelo, melhorando a capacidade do observatório de identificar as origens dos neutrinos.
A pesquisa é descrita em Astronomia da Natureza.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/is-quantum-gravity-slowing-down-neutrinos/
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