Gravitationsbølger kan svinge, ligesom neutrinoer

(Phys.org)—Ved brug af data fra de første gravitationsbølger nogensinde opdaget sidste år, sammen med en teoretisk analyse, fysikere har vist, at gravitationsbølger kan svinge mellem to forskellige former kaldet "g" og "f"-type gravitationsbølger. Fysikerne forklarer, at dette fænomen er analogt med den måde, neutrinoer oscillerer mellem tre forskellige smagsvarianter - elektron, muon, og tau. De oscillerende gravitationsbølger opstår i en modificeret teori om tyngdekraft kaldet bimetrisk tyngdekraft, eller "bigravitation, " og fysikerne viser, at svingningerne kan påvises i fremtidige eksperimenter.

Forskerne, Kevin Max, en ph.d.-studerende ved Scuola Normale Superiore di Pisa og INFN Pisa, Italien; Moritz Platscher, en ph.d.-studerende ved Max Planck Institute for Nuclear Physics, Tyskland; og Juri Smirnov, en postdoc ved universitetet i Firenze, Italien, har offentliggjort et papir om deres analyse af gravitationsbølgesvingninger i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

Som fysikerne forklarer, værket kan hjælpe med at besvare spørgsmålet om, hvad "de øvrige 95%" af universet er lavet af, ved at antyde, at svaret kan ligge i modifikationer af tyngdekraften frem for nye partikler.

"Kun 5% af stoffet er af en type, som vi mener at forstå ordentligt, " fortalte Smirnov Phys.org . "For at løse spørgsmålet om, hvad vores univers er lavet af ('mørk stof' og 'mørk energi'), de fleste forfattere diskuterer alternative partikelfysiske modeller med nye partikler. Imidlertid, eksperimenter som dem ved LHC [Large Hadron Collider] har ikke opdaget nogen eksotiske partikler, endnu. Dette rejser spørgsmålet, om gravitationssiden måske skal ændres.

"I vores arbejde vi spørger, hvilke signaler vi kan forvente fra en ændring af tyngdekraften, og det viser sig, at bigravitation har et unikt sådant signal og derfor kan skelnes fra andre teorier. Den nylige påvisning af gravitationsbølger af LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] har åbnet et nyt vindue på de mørke områder af universet for os. Om naturen har valgt den generelle relativitetsteori, bityngdekraft, eller enhver anden teori er et andet spørgsmål i sidste ende. Vi kan kun studere mulige signaler, som eksperimentalister kan se efter."

To gravitationer i stedet for én

I øjeblikket, den bedste teori om tyngdekraft er Einsteins generelle relativitetsteori, som bruger en enkelt metrik til at beskrive rumtid. Som resultat, gravitationsinteraktioner medieres af en enkelt hypotetisk partikel kaldet en graviton, som er masseløs og derfor rejser med lysets hastighed.

Hovedforskellen mellem generel relativitet og bigravitation er, at bigravitation bruger to metrikker, g og f. Hvorimod g er en fysisk målestok og par til noget, f er en steril metrisk og hænger ikke sammen. I bigravitation, gravitationsinteraktioner medieres af to gravitoner, hvoraf den ene har masse og den anden er masseløs. De to gravitoner er sammensat af forskellige kombinationer (eller superpositioner) af g- og f-metrikken, og så kobler de sig til det omgivende stof på forskellige måder. Eksistensen af ​​to metrikker (og to gravitoner) i bigravitationsrammen fører til sidst til oscillationsfænomenet.

Som fysikerne forklarer, ideen om, at der kunne eksistere en graviton med masse, har eksisteret siden næsten lige så længe, ​​den generelle relativitetsteori.

"Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger én mediator ('gravitonen') af gravitationsinteraktionerne, som bevæger sig med lysets hastighed, dvs. som er masseløs, " sagde Max. "Tilbage i slutningen af ​​1930'erne, folk forsøgte allerede at finde en teori, der indeholdt en mediator, der har en masse, og bevæger sig således med en hastighed, der er mindre end lysets hastighed. Dette viste sig at være en meget vanskelig opgave og blev først for nylig gennemført i 2010. Bigravity er en variation af denne 2010-ramme, som ikke indeholder én, men to dynamiske målinger. Kun en af ​​dem parrer sig, mens den anden ikke gør det; og en lineær kombination af dem bliver massiv (langsommere end lysets hastighed), mens den anden er masseløs (lysets hastighed)."

Oscillationer

Fysikerne viser, at inden for rammerne af bigravitation, som gravitationsbølger produceres og forplanter sig gennem rummet, de svinger mellem g- og f-typerne - selvom kun g-typen kan detekteres. Selvom tidligere forskning har antydet, at disse svingninger kan eksistere, det så ud til at føre til ufysiske resultater, såsom en krænkelse af energibesparelse. Den nye undersøgelse viser, at svingningerne teoretisk kan dukke op i et realistisk fysisk scenarie, når man overvejer gravitonmasser, der er store nok til at blive opdaget af aktuelle astrofysiske tests.

For at forstå disse svingninger, forskerne forklarer, at de på mange måder ligner neutrinoscillationer. Selvom neutrinoer kommer i tre varianter (elektron, muon, og tau), typisk er de neutrinoer, der produceres i kernereaktioner, elektronneutrinoer (eller elektron-anti-neutrinoer), fordi de andre er for tunge til at danne stabilt stof. På lignende måde, i bityngdekraften er kun de metriske g, der har betydning, så gravitationsbølgerne produceret af astrofysiske begivenheder, såsom sorte hul-fusioner, er g-type, da gravitationsbølger af f-type ikke kobles til materie.

"Nøglen til at forstå oscillationsfænomenet er, at elektronneutrinoer ikke har en bestemt masse:de er en superposition af de tre neutrinomasse egentilstande, " forklarede Platscher. "Mere matematisk set, massematrixen er ikke diagonal i smags- (elektron-muon-tau) basis. Derfor, bølgeligningen, der beskriver, hvordan de bevæger sig gennem rummet, vil blande dem sammen, og derfor 'oscillerer' de.

"Det samme gælder i bigravitation:g er en blanding af den massive og den masseløse graviton, og derfor når gravitationsbølgen bevæger sig gennem universet, det vil svinge mellem g- og f-type gravitationsbølger. Imidlertid, vi kan kun måle førstnævnte med vores detektorer (som er lavet af stof), mens sidstnævnte ville passere igennem os uset! Dette ville, hvis bigravitation er en korrekt beskrivelse af naturen, efterlade et vigtigt aftryk i gravitationsbølgesignalet, som vi har vist."

Som fysikerne bemærker, ligheden mellem neutrinoer og gravitationsbølger gælder, selvom neutrino-oscillation er et kvantemekanisk fænomen, der er beskrevet af Schrödinger-bølgeligningen, hvorimod gravitationsbølgeoscillation ikke er en kvanteeffekt og i stedet beskrives ved en klassisk bølgeligning.

En særlig effekt, som fysikerne forudsiger, er, at gravitationsbølgeoscillationer fører til større belastningsmodulationer sammenlignet med dem, der forudsiges af den generelle relativitetsteori. Disse resultater antyder en vej mod eksperimentelt at detektere gravitationsbølgesvingninger og finde støtte til bigravitation.

"Da bigravitation er en meget ung teori, der er stadig meget at gøre, og dets potentiale til at løse vores teoriers mangler skal undersøges, " sagde Smirnov. "Der har været noget arbejde i denne retning, men der er bestemt meget, der skal gøres endnu, og vi håber også at bidrage i fremtiden!"

© 2017 Phys.org