Begrænsning af dynamikken i roterende sorte huller via målesymmetriprincippet

Begge disse tidligere værker viste, at den velkendte Kerr-metrik kan matches til en uendelig familie af spredningsamplituder med højere spin. Disse amplituder blev først opnået af fysikerne Nima Arkani-Hamed, Tzu-Chen Huang og Yu-tin Huang, som en del af en tidligere undersøgelse.

"Selvom disse tidligere resultater er bemærkelsesværdige, er de endnu ikke tilstrækkelige til nøjagtigt at beskrive Kerrs sorte huls dynamik i lyset af kommende eksperimenter, såsom Einstein-teleskopet, LISA og Cosmic Explorer," sagde Johansson. "Nogle vigtige manglende oplysninger er indeholdt i det sorte huls Compton-spredningsamplitude, som i øjeblikket er ukendt for generel spin."

I deres papir foreslår Johansson og hans kolleger, at princippet om målersymmetri kunne bruges til med succes at begrænse dynamikken i roterende sorte huller. Forskerne viste, at massiv symmetri med højere spin-måler, informeret af en mekanisme, først skitseret af Ernst Stueckelberg og senere formaliseret af Yurii Zinoviev, kan bruges til at reproducere Kerr-spredningsamplituderne rapporteret i tidligere artikler.

"Vi viste også, at de ukendte Compton spredningsamplituder er stærkt begrænsede, selvom opnåelse af unikhed kræver yderligere input," sagde Johansson.

"Højspin kvantefeltteorier (QFT'er) er berygtede for deres kompleksitet. Selv low-spin QFT'er, såsom spin-1-tilfældet af standardmodellen og spin-2-tilfældet af generel relativitet, er selvfølgelig komplicerede, og deres formuleringer baserer sig grundlæggende på gauge symmetri og diffeomorphism symmetri (generel kovarians) Disse to symmetrier kan betragtes som de laveste to trin på en uendelig stige, der kaldes højere spin gauge symmetri."

Mens målesymmetri ikke er nødvendig for at beskrive dynamikken i massive partikler, har det vist sig at være et værdifuldt værktøj til at skitsere konsistente interaktioner. En erkendelse af denne massive målersymmetri er den såkaldte Higgs-mekanisme.

"Ved at bruge massiv symmetri med højere spin-måler til sorte huller, kunne vi sikre, at spin-frihedsgraderne behandles konsekvent og nedskrive en effektiv Lagrangian," forklarede Johansson, "The Lagrangian giver begge den korrekte højere-spin-beskrivelse af en Kerr-sort. hul og har en rimelig god højenergiadfærd. Den gode højenergiadfærd er ikke vigtig for klassiske sorte huller, men det giver en vis tillid til, at den effektive teori også kan beskrive visse kvanteprocesser."

Johansson og hans kolleger var de første til at anvende symmetri med højere spin gauge til sorte huller. Resultatet af deres indledende beregninger er lovende og kan snart bane vejen for yderligere undersøgelser, der udforsker dette link.

"Selvom vi forventer, at det vil tage noget tid, før den fulde effektive teori for roterende sorte huller er forstået, tror vi, at symmetri med højere spinmål vil være en kritisk komponent i dens formulering, svarende til hvordan målersymmetri og diffeomorfismesymmetri styrede den teoretiske rammer for det 20. århundredes fysik," sagde Johansson. "Den komplette Compton-spredningsamplitude for et Kerr-sort hul forbliver gådefuld, men vi har store forhåbninger om at kunne begrænse den fuldt ud i fremtiden. Dette indebærer både at forstå den for vilkårlige spin-ordrer og til højere ordener i Newtons konstant."

Fuldstændig begrænsning af spredningsamplituden af ​​Kerr sorte huller vil i sidste ende kræve tæt samarbejde mellem teoretiske fysikere, der studerer massive partikler med højere spin, og dem, der forsøger at løse den såkaldte Teukolsky-ligning, der er forankret i generel relativitetsteori. Nylige samarbejder mellem disse forskellige forskningssamfund tyder på, at der snart kan gøres fremskridt i denne retning.

"I vores næste værker vil vi også gerne forfølge forbindelsen mellem sorte huller og deres kvanteegenskaber, som minder om elementarpartikler," tilføjede Johansson.

Flere oplysninger: Lucile Cangemi et al., Kerr Black Holes fra Massive Higher-Spin Gauge Symmetry, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.221401

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2023 Science X Network