在伽马射线爆发期间喷入太空的超相对论中微子因量子引力的作用而减慢了速度。 这是意大利、波兰和挪威物理学家的结论,他们发现了七个中微子,与它们的伴生伽马射线相比,它们到达地球的时间比预期要晚。
量子理论在描述涉及四种已知自然力中的三种相互作用方面做得非常出色。 然而,当今还没有任何理论能够充分描述引力的量子本质。 虽然量子引力理论已经被提出,但它们往往做出目前无法通过实验或观察来检验的预测。
物理学家今天有机会证实的一个预测是,运动速度非常接近光速的粒子将由于量子引力效应而损失能量。 粒子移动得越快,效果增强得越多。 虽然影响非常小,但如果这些粒子是在数十亿光年外的天体物理事件中产生的,累积的结果将是粒子到达地球时可以测量到的延迟。
晚中微子
现在,一个由 乔瓦尼·阿梅利诺-卡梅利亚 那不勒斯大学的研究人员在中微子数据中寻找这种效应 冰立方中微子天文台。 该天文台位于南极,当中微子偶尔在一立方公里的冰层内相互作用时,就会探测到中微子。
研究人员发现了七种中微子,它们很可能来自伽马射线爆发。 这些是高能事件,由最大质量恒星的超新星或中子星碰撞产生。 美国宇航局也检测到了来自这些特定爆发的伽马射线 费米伽马射线太空望远镜.
令人着迷的是,这些中微子似乎在检测到伽马射线三天后才到达地球,这表明有什么东西延迟了它们。 能量高达 500 TeV 的粒子预计会延迟三天。 相比之下,能量高达 2 PeV 的中微子需要 12 天的延迟窗口,这对于用特定的伽马射线爆发来肯定地识别它们来说太长了。
阿梅利诺-卡梅利亚解释说:“粒子对它们的速度有额外的贡献,这是负的,并且随着它们的能量的增长,它的大小也会增长”。
位置,地点
然而,并不是每个人都相信。 香取彻平 未参与这项工作的伦敦国王学院教授指出,这七个候选中微子都是“级联型”中微子。 在级联事件中,中微子进入冰立方天文台并将其所有能量沉积到一个小的球形区域中,从而很难确定中微子的来源方向。 这与“轨道事件”不同,“轨道事件”产生的信号指向中微子在宇宙中的起源点。
“我们不知道这些中微子到底来自哪里,”香取解释道。
事实上,甚至不清楚伽马射线爆发是否会产生大量中微子。 香取引用 以前的工作 描述了从伽马射线爆发中寻找中微子的过程,但未能找到两者之间的相关性。 然而,他承认这项搜索没有考虑量子引力效应引起的任何延迟。
2022 年,参与 IceCube 合作的 Katori 是以下项目的科学带头人: 另一个实验 寻找中微子中的量子引力效应。 具体来说,这项研究着眼于量子引力如何影响中微子振荡。
中微子有三种不同的“味道”——电子、μ子和τ——并且粒子可以从一种味道振荡到另一种味道。 尽管该实验没有发现量子引力影响中微子振荡的证据,但这是第一个在量子引力相关水平上探测这些振荡的实验。 因此,该实验能够对预测振荡变化的量子引力模型施加约束。
对宇宙学的影响
如果量子引力确实在减慢中微子的速度,阿梅利诺-卡梅利亚和卡托里都同意这一观察将是理解量子引力及其在宇宙演化中的作用的重要一步。
然而,阿梅利诺-卡梅利亚指出,“如果这种效应只对中微子和其他半整数自旋粒子存在,那么对宇宙学的影响可能很小”。
量子引力很快可以用超冷原子进行测试
对于香取来说,确认延迟的最重要成果是物理学家可以用它来计算量子引力效应的大小。 这将使物理学家能够评估量子引力的竞争模型,并采取下一步设计实验和天文台来更精确地测量效应。
“量子引力驱动的现象学模型和量子引力理论之间仍然存在差距,”香取说。 “我认为填补这一空白具有挑战性,但找到任何量子引力驱动的效应是第一步。”
从伽马射线爆发中寻找中微子将受益于建造 IceCube-Gen2,这将使探测器体积增加到八立方公里的冰,从而提高天文台查明中微子起源的能力。
该研究描述于 自然天文学.
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