大気ニュートリノのフレーバー組成に関する新たな観測により、いくつかの量子重力理論によって予測されてきた極小で短命のブラックホールについての決定的な証拠は示されていない。この研究は、研究者らによって行われました。 IceCubeニュートリノ天文台 その結果、量子重力の性質に対してこれまでで最も厳しい制約が課せられました。

実行可能な量子重力理論の開発は、物理学における最大の課題の 1 つです。現在、重力はアルバート・アインシュタインの一般相対性理論によって非常によく説明されていますが、これは量子論とは互換性がありません。重要な違いの 1 つは、一般相対性理論は重力引力を説明するために時空の曲率を援用するのに対し、量子論は平坦な時空に基づいていることです。

2 つの理論は非常に異なるエネルギー スケールで機能するため、前進する方法を見つけるのは困難です。そのため、量子重力理論をテストする実験を行うことが非常に困難になります。

「創造的な測定」

「近年、量子重力のわずかな影響を探るために創造的な測定が考案されています。実験室での実験で極めて高い精度を使用するか、遠い宇宙で生成される高エネルギーの粒子を利用するかのいずれかです。」と彼は説明します。 トーマス・スタッタード コペンハーゲン大学で、IceCube コラボレーションのメンバーです。

これらの新しい理論の中には、一般相対性理論で説明されるように、不確実性の量子効果が宇宙の真空におけるエネルギー変動と組み合わされて、時空の曲率に目に見える影響を与える可能性があるという考えがあります。これにより、「仮想ブラックホール」が作成される可能性があります。それらが存在する場合、これらの微視的な物体はプランク時間のオーダーで崩壊します。これは約10です^-44 s であり、現在の物理理論で説明できる最小の時間間隔です。

その結果、仮想ブラックホールを実験室で検出することは不可能になります。しかし、もしそれらが本当に存在するなら、研究者らは、それらがニュートリノと相互作用し、ニュートリノ振動現象を介して粒子がフレーバー状態をどのように変化させるかを変えるはずだと予測している。

氷の立方キロメートル

研究チームは、南極にあるアイスキューブニュートリノ観測所が収集したデータからこれらの相互作用の証拠を探した。世界最大のニュートリノ観測所である IceCube は、南極の氷の立方キロメートル全体に配置された数千のセンサーで構成されています。

これらのセンサーは、ニュートリノが氷と相互作用するときに生成される荷電レプトンによって生成される独特の閃光を検出します。この最新の研究では、研究チームは、宇宙線が地球の大気と相互作用するときに生成される高エネルギーニュートリノの IceCube 検出に焦点を当てました。

スタッタード氏は、彼らの捜索はこの種の捜索は初めてではないと説明する。 「しかし、今回は、（粒子加速器や原子炉などの地球に結合するニュートリノ源ではなく）これらの「大気」ニュートリノの自然な高エネルギーと長い伝播距離、そして膨大な量のニュートリノによってもたらされる高い統計を利用することができました。検出器のサイズ。これにより、これまでの研究で調査できたものよりもはるかに弱い影響を探索することができました。」

風味構成

研究チームは、300,000 年間にわたって IceCube によって観測された 8 個を超えるニュートリノのフレーバー組成を調べました。次に、彼らはこの結果を、ニュートリノが大気中を旅する途中で実際に仮想ブラックホールと相互作用した場合に発見されると予想される組成と比較しました。

IceCube が提供する極度の感度にもかかわらず、結果はニュートリノ振動の現在のモデルによって予測されたフレーバー組成と何ら変わりませんでした。今のところ、これは、仮想ブラックホールの理論には決定的な証拠がないままであることを意味します。

量子重力の測定に近づく

しかし、この無効な結果により、研究チームはブラックホールとニュートリノの相互作用の最大可能強度に新たな制限を設けることができました。これは、以前の研究で設定された制限よりも桁違いに厳しいものです。

「量子重力とは別に、この結果は、ニュートリノが数千キロメートル移動した後でも、たとえ人工の衝突型加速器を超えるニュートリノのエネルギーであっても、環境によって真に撹乱されないようであることを実証するのにも役立ちます」とスタッタード氏は言う。 「これは、真に巨視的な距離にわたる量子力学の驚くべき実証でした。」

より広範には、研究チームの発見は、量子重力理論全体に新たな制約を課すものであり、現時点ではほとんど存在しない制約である。 「この研究は特定のシナリオを拒否していますが、概念としての量子重力は確かに除外されません」とスタッタード氏は付け加えた。 「量子重力の本当の性質は、この研究で行われた仮定とは異なる可能性があります。あるいは、その影響はこれまで考えられていたよりも弱いか、エネルギーによってより強く抑制される可能性があります。」

研究はで説明されています 自然物理学.

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