Neue Beobachtungen der Geschmackszusammensetzung atmosphärischer Neutrinos haben keine schlüssigen Beweise für die winzigen, kurzlebigen Schwarzen Löcher erbracht, die von einigen Theorien der Quantengravitation vorhergesagt wurden. Die Studie wurde von Forschern durchgeführt, die das nutzten IceCube Neutrino-Observatorium am Südpol und das Ergebnis stellt einige der strengsten Einschränkungen dar, die es je für die Natur der Quantengravitation gab.
Die Entwicklung einer tragfähigen Theorie der Quantengravitation ist eine der größten Herausforderungen der Physik. Heutzutage wird die Schwerkraft sehr gut durch Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschrieben, die mit der Quantentheorie unvereinbar ist. Ein wichtiger Unterschied besteht darin, dass die allgemeine Relativitätstheorie die Raum-Zeit-Krümmung zur Erklärung der Gravitationsanziehung heranzieht, während die Quantentheorie auf einer flachen Raum-Zeit basiert.
Einen Weg nach vorne zu finden ist eine Herausforderung, da die beiden Theorien auf sehr unterschiedlichen Energieskalen arbeiten, was die Durchführung von Experimenten, die Theorien der Quantengravitation testen, sehr schwierig macht.
„Kreative Messungen“
„In den letzten Jahren wurden kreative Messungen entwickelt, um nach dem winzigen Einfluss der Quantengravitation zu suchen: entweder durch den Einsatz extremer Präzision in Laborexperimenten oder durch die Nutzung der hochenergetischen Teilchen, die im fernen Universum erzeugt werden“, erklärt Thomas Stuttard an der Universität Kopenhagen, der Mitglied der IceCube-Kollaboration ist.
Zu diesen neuen Theorien gehört die Idee, dass die Quanteneffekte der Unsicherheit in Kombination mit Energiefluktuationen im Vakuum des Weltraums einen spürbaren Einfluss auf die Krümmung der Raumzeit haben könnten, wie sie durch die Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird. Dies könnte zur Entstehung „virtueller Schwarzer Löcher“ führen. Wenn es sie gäbe, würden diese mikroskopisch kleinen Objekte in der Größenordnung der Planck-Zeit zerfallen. Das sind ungefähr 10-44 s und ist das kleinste Zeitintervall, das durch aktuelle physikalische Theorien beschrieben werden kann.
Dadurch wäre es im Labor unmöglich, virtuelle Schwarze Löcher zu entdecken. Wenn sie jedoch wirklich existieren, gehen Forscher davon aus, dass sie mit Neutrinos interagieren und die Art und Weise, wie die Partikel ihren Geschmackszustand ändern, über das Phänomen der Neutrino-Oszillation verändern.
Kubikkilometer Eis
Das Team suchte nach Beweisen für diese Wechselwirkungen in Daten, die vom IceCube-Neutrino-Observatorium am Südpol gesammelt wurden. Als weltweit größtes Neutrino-Observatorium besteht IceCube aus Tausenden von Sensoren, die auf einem Kubikkilometer antarktischem Eis verteilt sind.
Diese Sensoren erkennen charakteristische Lichtblitze, die von geladenen Leptonen erzeugt werden und die Ursache dafür sind, dass Neutrinos mit dem Eis interagieren. In dieser neuesten Studie konzentrierte sich das Team auf IceCube-Detektionen von hochenergetischen Neutrinos, die entstehen, wenn kosmische Strahlung mit der Erdatmosphäre interagiert.
Stuttard erklärt, dass ihre Suche nicht die erste ihrer Art sei. „Dieses Mal konnten wir jedoch die von Natur aus hohe Energie und große Ausbreitungsdistanz dieser ‚atmosphärischen‘ Neutrinos (im Gegensatz zu erdgebundenen Neutrinoquellen wie Teilchenbeschleunigern oder Kernreaktoren) sowie die hohen Statistiken, die die riesigen Neutrinos bieten, ausnutzen.“ Detektorgröße. Dies ermöglichte es uns, nach Effekten zu suchen, die weitaus schwächer sind, als sie in früheren Studien untersucht werden konnten.“
Geschmackskomposition
In ihrer Studie untersuchte das Team die Geschmackszusammensetzung von über 300,000 Neutrinos, die IceCube über einen Zeitraum von acht Jahren beobachtet hatte. Anschließend verglichen sie dieses Ergebnis mit der Zusammensetzung, die sie erwartet hätten, wenn die Neutrinos auf ihrer Reise durch die Atmosphäre tatsächlich mit virtuellen Schwarzen Löchern interagiert hätten.
Trotz der extremen Empfindlichkeit von IceCube unterschieden sich die Ergebnisse nicht von den Geschmackszusammensetzungen, die vom aktuellen Modell der Neutrino-Oszillation vorhergesagt wurden. Dies bedeutet vorerst, dass die Theorie der virtuellen Schwarzen Löcher ohne schlüssige Beweise bleibt.
Der Messung der Quantengravitation näher kommen
Dieses Nullergebnis ermöglichte es dem Team jedoch, neue Grenzen für die maximal mögliche Stärke der Wechselwirkungen zwischen Schwarzen Löchern und Neutrinos festzulegen, die um Größenordnungen strenger sind als die in früheren Studien festgelegten Grenzen.
„Abgesehen von der Quantengravitation dient das Ergebnis auch dazu, zu zeigen, dass das Neutrino offenbar auch nach einer Reise von Tausenden von Kilometern wirklich ungestört von seiner Umgebung bleibt, selbst bei Neutrinoenergien, die über denen jedes künstlichen Beschleunigers liegen“, sagt Stuttard. „Dies war eine bemerkenswerte Demonstration der Quantenmechanik über wirklich makroskopische Entfernungen.“
Im weiteren Sinne stellen die Ergebnisse des Teams neue Einschränkungen für die Theorie der Quantengravitation als Ganzes dar, Einschränkungen, die derzeit selten sind. „Während diese Arbeit bestimmte Szenarien ablehnt, ist die Quantengravitation als Konzept sicherlich nicht ausgeschlossen“, fügt Stuttard hinzu. „Die wahre Natur der Quantengravitation kann von den in dieser Studie getroffenen Annahmen abweichen, oder die Auswirkungen können schwächer sein oder durch Energie stärker unterdrückt werden als bisher angenommen.“
Die Forschung ist beschrieben in Naturphysik.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/search-for-tiny-black-holes-puts-tighter-constraints-on-quantum-gravity/
