Sinal astrofísico faz o que o LHC não pode: restringir a gravidade quântica e a teoria das cordas

Os fótons sempre se propagam na velocidade da luz e obedecem às mesmas regras da natureza, independentemente de sua energia. Se certos modelos de gravidade quântica ou teoria das cordas estiverem corretos, os fótons acima de um certo limite de energia devem decair à medida que se propagam pelo Universo. A colaboração do HAWC acabou de testar isso e descobriu que esse corte não existe. (NASA/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET)

A astrofísica testou um teste de uma lei fundamental, ‘invariância de Lorentz’, muito além dos limites do LHC. Einstein ainda está certo.


O maior legado científico que Albert Einstein nos deixou é este: que a velocidade da luz e as leis da física parecem ser as mesmas para todos os observadores do Universo. Independentemente de onde você está localizado, quão rápido ou em qual direção você está se movendo, ou quando você está realizando suas medições, todos experimentam as mesmas regras fundamentais da natureza. A simetria subjacente a isso, invariância de Lorentz, é a única simetria que nunca deve ser violada .



No entanto, muitas ideias que vão além do Modelo Padrão e da Relatividade Geral – como a teoria das cordas ou a maioria das manifestações da gravidade quântica – podem quebrar essa simetria, com consequências para o que observaríamos sobre o Universo. UMA novo estudo da colaboração HAWC , publicado em 30 de março de 2020, acabou de colocar as restrições mais rígidas à violação de invariância de Lorentz de todos os tempos, com implicações fascinantes para a física teórica.



A ideia de unificação sustenta que todas as três forças do Modelo Padrão, e talvez até a gravidade em energias mais altas, são unificadas em uma única estrutura. Essa ideia é poderosa, levou a muitas pesquisas, mas é uma conjectura completamente não comprovada. Em energias ainda mais altas, uma teoria quântica da gravidade poderia unificar todas as forças. Mas esses cenários geralmente têm consequências para fenômenos observáveis ​​de baixa energia que são fortemente restritos. ( ABCC AUSTRÁLIA 2015 WWW.NEW-PHYSICS.COM )

Nossas melhores teorias físicas do Universo são o Modelo Padrão, que descreve as partículas fundamentais e as interações nucleares e eletromagnéticas entre elas, e a Relatividade Geral, que descreve o espaço-tempo e a gravitação. Embora essas duas teorias descrevam a realidade perfeitamente, elas não são completas: elas não descrevem, por exemplo, como a gravidade se comporta em um nível quântico.



A esperança entre os físicos – o que alguns chamariam de seu sonho final ou santo graal – é que exista uma teoria quântica da gravidade e que essa teoria, quando a encontrarmos, unificará todas as forças do Universo sob uma única estrutura. Mas muitas dessas estruturas de gravidade quântica propostas, incluindo a teoria das cordas, pode quebrar essa simetria fundamental isso é importante tanto para o Modelo Padrão quanto para a Relatividade Geral: invariância de Lorentz.

Diferentes quadros de referência, incluindo diferentes posições e movimentos, veriam diferentes leis da física (e discordariam da realidade) se uma teoria não fosse relativisticamente invariante. O fato de termos uma simetria sob ‘aumentos’, ou transformações de velocidade, nos diz que temos uma quantidade conservada: momento linear. O fato de uma teoria ser invariante sob qualquer tipo de transformação de coordenadas ou velocidade é conhecido como invariância de Lorentz, e qualquer simetria invariante de Lorentz conserva a simetria CPT. No entanto, C, P e T (assim como as combinações CP, CT e PT) podem ser violadas individualmente. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO KREA)

A invariância de Lorentz é um daqueles termos da física que tem um nome rico em jargões, mas um significado muito simples: as leis da natureza são as mesmas, independentemente de onde ou quando você as está medindo. Não importa se você está aqui ou a um bilhão de anos-luz de distância; não importa se você está fazendo suas medições agora ou bilhões de anos atrás ou bilhões de anos no futuro; não importa se você está em repouso ou se movendo perto da velocidade da luz. Se suas leis não se importam com sua posição ou movimento, sua teoria é invariante de Lorentz.



O Modelo Padrão é exatamente invariante de Lorentz. A Relatividade Geral é exatamente invariante de Lorentz. Mas muitas encarnações da gravidade quântica são apenas aproximadamente invariantes de Lorentz. Ou a simetria que a obriga é quebrada, ou há uma nova física que só aparece em escalas de alta energia que a quebra. Embora o Universo de baixa energia seja observado como invariante de Lorentz, pesquisas diretas em colisores de partículas (como o LHC) são severamente limitadas pelas energias que podem sondar.

Uma vista aérea do CERN, com a circunferência do Grande Colisor de Hádrons (27 quilômetros ao todo) delineada. O mesmo túnel foi usado para abrigar um colisor elétron-pósitron, LEP, anteriormente. As partículas no LEP foram muito mais rápidas do que as partículas no LHC, mas os prótons do LHC carregam muito mais energia do que os elétrons ou pósitrons do LEP. Fortes testes de simetria são realizados no LHC, mas as energias dos fótons estão bem abaixo do que o Universo produz. (MAXIMILIEN BRICE (CERN))

Em física, normalmente medimos energias em termos de elétron-volts (eV), ou a quantidade de energia necessária para dar a um único elétron um potencial elétrico de 1 volt. Na física de partículas, aceleramos as coisas para altas energias e, portanto, as medimos em GeV (um bilhão de elétron-volts) ou TeV (um trilhão de elétron-volts), dependendo das energias que alcançamos. O LHC atinge energias de cerca de 7 TeV por partícula, mas isso ainda é muito limitado.



Normalmente, quando os físicos falam sobre as escalas de energia mais altas, eles estão falando sobre a escala teórica da grande unificação, a escala das cordas ou a escala de Planck, a última das quais é onde as leis conhecidas da física atualmente falham. Estes estão entre 10¹⁵ e 10¹⁹ GeV, ou mais de um trilhão de vezes as energias vistas no LHC. Embora o LHC seja uma ótima ferramenta para fazer muitas restrições, ele faz um trabalho comparativamente ruim ao testar modelos de gravidade quântica que podem violar a invariância de Lorentz.

As nebulosas do vento pulsar, como a Nebulosa do Caranguejo representada aqui em raios-X e luz óptica, também são fontes não apenas de partículas de energia muito alta, mas também de raios gama de energia extremamente alta, que podem ser medidos e usados ​​para restringir certas extensões possíveis. ao Modelo Padrão. (ÓPTICO: NASA/HST/ASU/J. HESTER ET AL. RAIO X: NASA/CXC/ASU/J. HESTER ET AL.)



Mas a astrofísica nos dá um laboratório para sondar muito além dos limites do que o LHC, ou qualquer experimento físico baseado na Terra, provavelmente fornecerá. Partículas individuais, na forma de raios cósmicos, foram detectadas com energias superiores a 10¹¹ GeV. Fenômenos astrofísicos como supernovas, pulsares, buracos negros e núcleos galácticos ativos podem criar condições muito mais extremas, explosivas e energéticas do que nossos laboratórios jamais poderiam.

E, talvez o mais espetacular, as distâncias astrofísicas que essas partículas precisam cobrir garantem que não estamos medindo suas propriedades em escalas de tempo de uma minúscula fração de segundo, mas na miríade de anos-luz que elas precisam viajar para alcançar nossos olhos. Essa combinação de partículas de alta energia viajando por distâncias astronômicas nos dá um laboratório sem precedentes para testar essas invariâncias de Lorentz que violam as ideias que os modelos da gravidade quântica e da teoria das cordas motivam.

A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Muitas simetrias que são obrigatórias no Modelo Padrão podem ser apenas simetrias aproximadas em uma teoria da gravidade quântica. (LACELERATOR LABORATÓRIO NACIONAL DO SLAC)

Um teste particularmente bom que podemos realizar é observar os fótons – quanta de luz – enquanto viajam pelo Universo. Se a invariância de Lorentz é uma simetria perfeita e exata, então todos os fótons de todas as energias devem se propagar pelo Universo, mesmo através de distâncias cósmicas, igualmente. Mas se houver alguma violação dessa simetria, mesmo que seja em escalas de energia ultra-alta muito além da energia desses fótons, os fótons acima de um determinado limite de energia devem decair.

Na física de partículas padrão, toda interação deve conservar energia e momento. Dois fótons podem interagir espontaneamente e criar um par elétron-pósitron, mas um fóton não pode fazer isso sozinho. Se exigirmos que a energia seja conservada, a única maneira de conservar o momento é fazer com que uma partícula adicional entre em ação.

Dois fótons podem colidir, produzindo um par elétron-pósitron, ou um par elétron-pósitron pode interagir, produzindo dois fótons. Mas você não pode obter um par de apenas um fóton, pois isso violaria a conservação de energia-momento. Em um cenário de violação de invariância de Lorentz, no entanto, tal decaimento de fótons não é proibido. (ANDREW DENISZCZYC, 2017)

Mas se a invariância de Lorentz for violada, não precisamos conservar exatamente o momento; apenas aproximadamente. Se os novos efeitos que causam essa violação entrarem em ação em uma escala de energia muito alta, isso significa que há uma certa probabilidade de que mesmo fótons de energia mais baixa experimentem um decaimento que viola a invariância de Lorentz. O efeito é pequeno, mas em distâncias de milhares de anos-luz ou mais, a probabilidade de fótons acima de um certo limite de energia deve cair para zero.

Uma das ferramentas mais sofisticadas que os astrônomos usam para medir esses fótons de raios gama de alta energia é o HAWC: o observatório de água de alta altitude Cherenkov. Medições precisas desses fótons de energia muito alta – fótons acima de 10 ou mesmo 100 TeV, cerca de cem vezes as energias de fótons que o LHC pode produzir – podem fornecer as pesquisas mais fortes já feitas para violação de invariância de Lorentz.

Este gráfico composto mostra uma visão do céu em raios gama de energia ultra-alta. As setas indicam as quatro fontes de raios gama com energias acima de 100 TeV de dentro de nossa galáxia (cortesia da colaboração HAWC) impostas sobre uma foto dos 300 grandes tanques de água do Observatório HAWC. Os tanques contêm detectores de luz sensíveis que medem chuvas de partículas produzidas pelos raios gama que atingem a atmosfera a mais de 16 quilômetros de altitude. (JORDAN GOODMAN / COLABORAÇÃO HAWC)

Em sua última publicação , a colaboração HAWC anunciou a detecção de um grande número desses fótons de alta energia provenientes de quatro fontes separadas dentro da Via Láctea: todas correspondentes a nebulosas de vento pulsar, os remanescentes de supernovas que aceleram o material das regiões circundantes ricas em matéria.

Se a invariância de Lorentz se mantiver, deve haver um espectro contínuo desses fótons vindo desses pulsares, sem um corte rígido (ou seja, uma queda e queda acentuadas) em seu espectro de energia. Mas se a invariância de Lorentz for violada, acima de um determinado limite, o número de fótons deve cair: para 0 ou para 50% de seu valor esperado, dependendo do cenário específico de violação de invariância de Lorentz . Mas o que o HAWC viu, com uma precisão quase 100 vezes melhor do que qualquer medição anterior, não indica nenhuma violação.

Os quatro pulsares diferentes observados pelo HAWC seguem as linhas sólidas coloridas (melhor ajuste) para seu espectro de energia de fótons, com os contornos de incerteza mostrados em cores sombreadas. Os cenários de violação da invariância de Lorentz, mostrados com linhas pontilhadas, são descartados. (A. ALBERT ET AL. (COLABORAÇÃO HAWC), PHYS. REV. LETT. 124, 131101 (2020))

O que é fascinante sobre esse resultado é que ele estabelece um limite na escala de energia na qual a violação de invariância de Lorentz pode ocorrer. Com base nos últimos resultados do HAWC, podemos concluir que não há violações dessa simetria até uma escala de energia de 2,2 × 10³¹ eV: quase 2.000 vezes a escala de energia de Planck.

Isso é, importante, muito mais alto do que a escala de energia na qual a teoria das cordas, a gravidade quântica ou qualquer outro cenário físico exótico além do Modelo Padrão que traz a violação de invariância de Lorentz junto com eles. No futuro, um instrumento de energia ainda maior poderia colocar restrições ainda mais rígidas: tanto no acoplamento quanto na escala de energia da possível violação de Lorentz, com limites futuros subindo como o cubo da energia do fóton observada.

O Observatório de Raios Gama de Campo Amplo do Sul (SWGO) proposto poderia cobrir uma faixa de energia que se estende muito além do que o HAWC pode alcançar; uma melhoria de um fator de 10 em energia se traduziria em uma melhoria de um fator de 1000 na escala em que a violação de invariância de Lorentz pode ser restringida. (COLABORAÇÃO SWGO)

Claro, sempre há contorções teóricas que podemos inventar para ainda permitir a possibilidade de violação da invariância de Lorentz. Isso pode acontecer em uma escala de energia muito maior do que colocamos restrições, milhares de vezes acima da escala de Planck. Poderia envolver um acoplamento extraordinariamente pequeno, que relaxaria as restrições de energia. Ou pode envolver um tipo diferente (por exemplo, subluminal) de violação de invariância de Lorentz do que normalmente assumimos.

Mas o fato é que essas restrições baseadas em fótons nos ensinam que, se um candidato à gravidade quântica, como a teoria das cordas, introduz um tipo de violação de invariância de Lorentz que prevê uma assinatura astrofísica de decaimento de fótons, como muitos fazem, eles agora são restritos ou até descartados por este novo conjunto de observações. As leis da física são realmente as mesmas em todos os lugares e em todos os momentos, e qualquer extensão do Modelo Padrão e da Relatividade Geral deve levar em conta essas novas e robustas restrições.


O autor agradece a Pat Harding da colaboração do HAWC pela ajuda na construção desta história.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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