Nuevas observaciones de la composición del sabor de los neutrinos atmosféricos no han revelado evidencia concluyente de los minúsculos agujeros negros de corta vida que han sido predichos por algunas teorías de la gravedad cuántica. El estudio fue realizado por investigadores que utilizaron el Observatorio de neutrinos IceCube en el Polo Sur y el resultado impone algunas de las limitaciones más estrictas jamás impuestas a la naturaleza de la gravedad cuántica.
Desarrollar una teoría viable de la gravedad cuántica es uno de los mayores desafíos de la física. Hoy en día, la gravedad está muy bien descrita por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que es incompatible con la teoría cuántica. Una diferencia importante es que la relatividad general invoca la curvatura del espacio-tiempo para explicar la atracción gravitacional, mientras que la teoría cuántica se basa en el espacio-tiempo plano.
Encontrar un camino a seguir es un desafío porque las dos teorías funcionan a escalas de energía muy diferentes, lo que dificulta mucho la realización de experimentos que prueben las teorías de la gravedad cuántica.
“Medidas creativas”
“En los últimos años se han ideado mediciones creativas para buscar la pequeña influencia de la gravedad cuántica: ya sea mediante el uso de extrema precisión en experimentos de laboratorio o explotando las partículas altamente energéticas producidas en el universo distante”, explica Thomas Stutard en la Universidad de Copenhague, que es miembro de la colaboración IceCube.
Entre estas nuevas teorías está la idea de que los efectos cuánticos de la incertidumbre, combinados con las fluctuaciones de energía en el vacío del espacio, podrían tener un efecto tangible en la curvatura del espacio-tiempo, como lo describe la relatividad general. Esto podría dar lugar a la creación de "agujeros negros virtuales". Si existieran, estos objetos microscópicos se desintegrarían en el orden del tiempo de Planck. Esto es alrededor de 10-44 s y es el intervalo de tiempo más pequeño que pueden describir las teorías físicas actuales.
Como resultado, los agujeros negros virtuales serían imposibles de detectar en el laboratorio. Pero, si realmente existen, los investigadores predicen que deberían interactuar con los neutrinos, alterando la forma en que las partículas cambian los estados de sabor a través del fenómeno de la oscilación de los neutrinos.
Kilómetro cúbico de hielo
El equipo buscó evidencia de estas interacciones en los datos recopilados por el Observatorio de Neutrinos IceCube, ubicado en el Polo Sur. IceCube, el observatorio de neutrinos más grande del mundo, consta de miles de sensores colocados a lo largo de un kilómetro cúbico de hielo antártico.
Estos sensores detectan destellos de luz distintivos creados por leptones cargados que se producen por qué los neutrinos interactúan con el hielo. En este último estudio, el equipo se centró en las detecciones de IceCube de neutrinos de alta energía producidos cuando los rayos cósmicos interactúan con la atmósfera de la Tierra.
Stuttard explica que su búsqueda no es la primera de este tipo. “Esta vez, sin embargo, pudimos aprovechar la alta energía natural y la gran distancia de propagación de estos neutrinos 'atmosféricos' (en lugar de fuentes de neutrinos terrestres como aceleradores de partículas o reactores nucleares), así como las altas estadísticas que ofrecen las enormes Tamaño del detector. Esto nos permitió buscar efectos mucho más débiles de los que pueden ser probados por cualquier estudio previo”.
Composición del sabor
En su estudio, el equipo examinó la composición del sabor de más de 300,000 neutrinos, observados por IceCube durante un período de 8 años. Luego compararon este resultado con la composición que esperaban encontrar si los neutrinos realmente hubieran interactuado con agujeros negros virtuales en su viaje a través de la atmósfera.
Incluso con la extrema sensibilidad ofrecida por IceCube, los resultados no fueron diferentes de las composiciones de sabor predichas por el modelo actual de oscilación de neutrinos. Por ahora, esto significa que la teoría de los agujeros negros virtuales sigue sin tener ninguna evidencia concluyente.
Cada vez más cerca de medir la gravedad cuántica
Sin embargo, este resultado nulo permitió al equipo imponer nuevos límites a la fuerza máxima posible de las interacciones agujero negro-neutrino, que son órdenes de magnitud más estrictas que los límites establecidos en estudios anteriores.
"Aparte de la gravedad cuántica, el resultado también sirve para demostrar que el neutrino parece permanecer verdaderamente imperturbable por su entorno incluso después de viajar miles de kilómetros, incluso para energías de neutrino que exceden las de cualquier colisionador construido por el hombre", dice Stuttard. "Esta fue una demostración notable de la mecánica cuántica en distancias verdaderamente macroscópicas".
En términos más generales, los hallazgos del equipo imponen nuevas limitaciones a la teoría de la gravedad cuántica en su conjunto, limitaciones que actualmente son pocas y espaciadas. "Si bien este trabajo rechaza ciertos escenarios, la gravedad cuántica como concepto no queda excluida", añade Stuttard. "La verdadera naturaleza de la gravedad cuántica puede diferir de las suposiciones hechas en este estudio, o los efectos pueden ser más débiles o más fuertemente suprimidos con energía de lo que se pensaba anteriormente".
La investigación se describe en Física de la naturaleza.
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