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sábado, setembro 19, 2020
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Sinal astrofísico faz o que o LHC não pode: restringir a gravidade quântica e a teoria das cordas

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               Os fótons sempre se propagam à 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 limiar de energia deverão decair à medida que se propagam pelo Universo. A colaboração da HAWC acabou de testar isso e descobriu que não existe esse ponto de corte.    NASA / UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SONOMA / AURORE SIMONNET          O maior legado científico que Albert Einstein nos deixou é o seguinte: que a velocidade da luz e as leis da física parecem ser as mesmas para todos os observadores do Universo. Independentemente de onde você esteja, da rapidez ou da direção em que está se movendo ou quando estiver realizando suas medições, todos experimentam as mesmas regras fundamentais da natureza. A simetria subjacente a isso, invariância de Lorentz, é a simetria que nunca deve ser violada. Entretanto, muitas idéias 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. Um novo estudo da colaboração do HAWC, recém publicado em 30 de março de 2020, apenas colocou as restrições mais rígidas em relação à violação de invariância de Lorentz, com implicações fascinantes para a física teórica.                A idéia 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 uma grande quantidade de pesquisas, mas é uma conjectura completamente não comprovada. Em energias ainda mais altas, uma teoria quântica da gravidade poderia potencialmente unificar todas as forças. Mas esses cenários geralmente têm consequências para fenômenos observáveis ​​e de baixa energia que são fortemente restringidos.    © 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, podem quebrar essa simetria fundamental que é importante para a invariância do Modelo Padrão e da Relatividade Geral: 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 ‘reforços’ 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 da CPT. No entanto, C, P e T (bem como as combinações CP, CT e PT) podem ser violados individualmente.    Usuário do Wikimedia Commons Krea          A invariância de Lorentz é um daqueles termos da física com um nome rico em jargões, mas com um significado muito simples: as leis da natureza são as mesmas, independentemente de onde ou quando você as estiver 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 aproximando da velocidade da luz. Se suas leis não se importam com sua posição ou movimento, sua teoria é invariável a Lorentz. O modelo padrão é exatamente Lorentz invariável. A Relatividade Geral é exatamente Lorentz invariável. Mas muitas encarnações da gravidade quântica são apenas aproximadamente invariantes a Lorentz. Ou a simetria que a determina é rompida, ou há uma nova física que só aparece em escalas de alta energia que a rompe. Embora o Universo de baixa energia seja observado como invariante de Lorentz, pesquisas diretas em coletores de partículas (como o LHC) são severamente limitadas pelas energias que eles podem sondar.                Uma vista aérea do CERN, com a circunferência do Large Hadron Collider (27 quilômetros ao todo) … [+] delineada. O mesmo túnel foi usado para abrigar um colisor de elétrons-pósitrons, LEP, anteriormente. As partículas na LEP foram muito mais rápidas que as do LHC, mas os prótons do LHC carregam muito mais energia do que os elétrons ou pósitrons da LEP. Testes fortes de simetrias são realizados no LHC, mas as energias dos fótons estão bem abaixo do que o Universo produz.    Maximilien Brice (CERN)          Em física, normalmente medimos as 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 as medimos em GeV (um bilhão de elétrons-volts) ou TeV (um trilhão de elétrons-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, estão falando sobre a escala de grande unificação teórica, a escala de cordas ou a escala de Planck, cuja última é onde as leis conhecidas da física atualmente quebram. 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 de 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 as fontes … [+] de fontes não apenas de partículas de energia muito alta, mas também de raios gama de energia extremamente alta, que podem ser medidas e usado para restringir certas extensões possíveis ao modelo padrão.    Óptica: NASA / HST / ASU / J. Hester et al. Raio-X: NASA / CXC / ASU / J. Hester et al.          Mas a astrofísica nos dá um laboratório para investigar muito além dos limites do que o LHC, ou qualquer experimento de física baseado na Terra, provavelmente fornecerá. Partículas individuais, na forma de raios cósmicos, foram identificadas 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 mais espetacularmente, as distâncias astrofísicas que essas partículas precisam cobrir garantem que não estamos medindo suas propriedades em escalas de tempo de uma fração de segundo, mas durante a miríade de anos-luz eles precisam viajar para alcançar nossos olhos. Essa combinação de partículas de alta energia que viajam por distâncias astronômicas nos fornece um laboratório sem precedentes para testar essas idéias que violam a invariância de Lorentz que motivam os modelos de gravidade quântica e teoria das cordas.                A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica …. [+] As correções quânticas da gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Muitas simetrias impostas no Modelo Padrão podem ser apenas simetrias aproximadas em uma teoria da gravidade quântica.    Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC          Um teste particularmente bom que podemos realizar é observar os fótons – quanta de luz – enquanto eles viajam pelo Universo. Se a invariância de Lorentz é uma simetria perfeita e exata, 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 ela esteja em escalas de energia ultra-alta muito além da energia desses fótons, os fótons acima de um determinado limiar de energia deverão se deteriorar. 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 exigimos que a energia seja conservada, a única maneira de conservar o momento é ter uma partícula adicional em jogo.                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 do momento de energia. Em um cenário que viola a invariância de Lorentz, no entanto, esse decaimento de fótons não é proibido.    Andrew Deniszczyc, 2017          Mas se a invariância de Lorentz for violada, não precisamos conservar o momento exatamente; apenas aproximadamente. Se os novos efeitos que causam essa violação entram em jogo em uma escala de energia muito alta, isso significa que há uma certa probabilidade de que mesmo os fótons de menor energia 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 limiar 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 Cherenkov de águas de alta altitude. Medições precisas desses fótons de alta energia – fótons acima de 10 ou até 100 TeV, cerca de cem vezes as energias de fótons que o LHC pode produzir – podem fornecer as mais fortes pesquisas de violação de invariância de Lorentz.                Este gráfico composto mostra uma vista 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 nossa galáxia (cortesia da colaboração da HAWC) impostas sobre uma foto dos 300 grandes tanques de água do Observatório da 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.    Colaboração Jordan Goodman / HAWC          Em sua publicação mais recente, a colaboração da HAWC anunciou a detecção de um grande número desses fótons de alta energia provenientes de quatro fontes distintas dentro da Via Láctea: todas correspondentes a nebulosas de vento pulsar, os remanescentes de supernovas que aceleram o material das matérias circundantes ricas em matéria regiões. Se a invariância de Lorentz se mantiver, deve haver um espectro contínuo desses fótons vindo desses pulsares, sem um corte rígido (isto é, uma queda acentuada e queda) em seu espectro de energia. Mas se a invariância de Lorentz for violada, acima de um limite específico, o número de fótons deve cair: para 0 ou 50% do valor esperado, dependendo do cenário de violação de invariância de Lorentz. Mas o que o HAWC viu, com uma precisão quase 100 vezes melhor do que qualquer medição anterior, 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 da incerteza mostrados em cores sombreadas. Os cenários que violam a 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 define um limite na escala de energia na qual a violação de invariância de Lorentz é permitida. Com base nos resultados mais recentes da 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 cenário exótico além do padrão do modelo físico que traz consigo a violação da invariância de Lorentz. No futuro, um instrumento de energia ainda mais alto poderá colocar restrições ainda mais rígidas: tanto no acoplamento quanto na escala de energia de uma possível violação de Lorentz, com os limites futuros subindo como o cubo da energia observada de fótons.                O proposto Observatório de Raios Gama de Campo Largo do Sul (SWGO) 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          Certamente, sempre existem contorções teóricas que podemos inventar para permitir a possibilidade de violação da invariância de Lorentz. Isso poderia acontecer em uma escala de energia muito maior do que a que colocamos restrições, milhares de vezes acima da escala de Planck. Isso 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 permanece o fato de que essas restrições baseadas em fótons nos ensinam que, se um candidato a gravidade quântica, como a teoria das cordas, introduzir um tipo de invariância de Lorentz que prediz uma assinatura astrofísica de decaimento de fótons, como muitos fazem, agora eles são restritos ou até descartados por esse 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 reconhece Pat Harding, da colaboração HAWC, pela ajuda na construção desta história.

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