Novas observações da composição do sabor dos neutrinos atmosféricos não revelaram nenhuma evidência conclusiva dos minúsculos buracos negros de vida curta que foram previstos por algumas teorias da gravidade quântica. O estudo foi feito por pesquisadores usando o Observatório de Neutrinos IceCube no Pólo Sul e o resultado impõe algumas das restrições mais rígidas de todos os tempos à natureza da gravidade quântica.

Desenvolver uma teoria viável da gravidade quântica é um dos maiores desafios da física. Hoje, a gravidade é muito bem descrita pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein, que é incompatível com a teoria quântica. Uma diferença importante é que a relatividade geral invoca a curvatura do espaço-tempo para explicar a atração gravitacional, enquanto a teoria quântica se baseia no espaço-tempo plano.

Encontrar um caminho a seguir é um desafio porque as duas teorias funcionam em escalas de energia muito diferentes, o que torna muito difícil fazer experimentos que testem as teorias da gravidade quântica.

“Medidas criativas”

“Nos últimos anos, medições criativas foram concebidas para procurar a pequena influência da gravidade quântica: quer através do uso de extrema precisão em experiências de laboratório, quer através da exploração de partículas altamente energéticas produzidas no universo distante”, explica. Thomas Stuart na Universidade de Copenhague, que é membro da colaboração IceCube.

Entre estas novas teorias está a ideia de que os efeitos quânticos da incerteza, combinados com as flutuações de energia no vácuo do espaço, poderiam ter um efeito tangível na curvatura do espaço-tempo, conforme descrito pela relatividade geral. Isto poderia resultar na criação de “buracos negros virtuais”. Se existissem, esses objetos microscópicos decairiam na ordem do tempo de Planck. Isso é cerca de 10^-44 se é o menor intervalo de tempo que pode ser descrito pelas teorias físicas atuais.

Como resultado, seria impossível detectar buracos negros virtuais em laboratório. Mas, se realmente existirem, os investigadores prevêem que deverão interagir com os neutrinos, alterando a forma como as partículas mudam os estados de sabor através do fenómeno da oscilação dos neutrinos.

Quilômetro cúbico de gelo

A equipe procurou evidências dessas interações em dados coletados pelo Observatório de Neutrinos IceCube, localizado no Pólo Sul. Sendo o maior observatório de neutrinos do mundo, o IceCube consiste em milhares de sensores posicionados ao longo de um quilómetro cúbico de gelo da Antártida.

Esses sensores detectam flashes de luz distintos criados por léptons carregados que são produzidos porque os neutrinos interagem com o gelo. Neste último estudo, a equipe concentrou-se nas detecções IceCube de neutrinos de alta energia produzidos quando os raios cósmicos interagem com a atmosfera da Terra.

Stuttard explica que a busca deles não é a primeira desse tipo. “Desta vez, no entanto, fomos capazes de explorar a energia naturalmente elevada e a grande distância de propagação destes neutrinos 'atmosféricos' (em vez de fontes de neutrinos terrestres, como aceleradores de partículas ou reactores nucleares), bem como as elevadas estatísticas proporcionadas pela vasta tamanho do detector. Isto permitiu-nos procurar efeitos muito mais fracos do que os que podem ser investigados por qualquer estudo anterior.”

Composição de sabor

No seu estudo, a equipa examinou a composição do sabor de mais de 300,000 neutrinos, observados pelo IceCube durante um período de 8 anos. Compararam então este resultado com a composição que esperavam encontrar se os neutrinos tivessem de facto interagido com buracos negros virtuais na sua viagem através da atmosfera.

Mesmo com a extrema sensibilidade oferecida pelo IceCube, os resultados não foram diferentes das composições de sabores previstas pelo modelo atual de oscilação de neutrinos. Por enquanto, isso significa que a teoria dos buracos negros virtuais permanece sem qualquer evidência conclusiva.

Aproximando-se da medição da gravidade quântica

No entanto, este resultado nulo permitiu à equipa estabelecer novos limites à força máxima possível das interações buraco negro-neutrino, que são ordens de magnitude mais rigorosas do que os limites estabelecidos em estudos anteriores.

“Além da gravidade quântica, o resultado também serve para demonstrar que o neutrino parece permanecer verdadeiramente imperturbado pelo seu ambiente, mesmo depois de viajar milhares de quilómetros, mesmo para energias de neutrinos superiores a qualquer colisor feito pelo homem”, diz Stuttard. “Esta foi uma demonstração notável da mecânica quântica em distâncias verdadeiramente macroscópicas.”

De forma mais ampla, as descobertas da equipe impõem novas restrições à teoria da gravidade quântica como um todo, restrições que atualmente são poucas e raras. “Embora este trabalho rejeite certos cenários, a gravidade quântica como conceito certamente não está excluída”, acrescenta Stuttard. “A verdadeira natureza da gravidade quântica pode diferir das suposições feitas neste estudo, ou os efeitos podem ser mais fracos ou mais fortemente suprimidos com energia do que se pensava anteriormente.”

A pesquisa é descrita em Física da Natureza.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/search-for-tiny-black-holes-puts-tighter-constraints-on-quantum-gravity/