(Phys.org)-Med hjälp av data från de första gravitationella vågorna som detekterades förra året, tillsammans med en teoretisk analys, fysiker har visat att gravitationella vågor kan svänga mellan två olika former som kallas "g" och "f" -typ gravitationsvågor. Fysikerna förklarar att detta fenomen är analogt med hur neutrinoer pendlar mellan tre olika smaker - elektron, muon, och tau. De oscillerande gravitationella vågorna uppstår i en modifierad gravitationsteori som kallas bimetrisk gravitation, eller "storhet, "och fysikerna visar att svängningarna kan detekteras i framtida experiment.

Forskarna, Kevin Max, doktorand vid Scuola Normale Superiore di Pisa och INFN Pisa, Italien; Moritz Platscher, doktorand vid Max Planck Institute for Nuclear Physics, Tyskland; och Juri Smirnov, en postdoc vid universitetet i Florens, Italien, har publicerat ett papper om sin analys av gravitationella vågoscillationer i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

Som fysikerna förklarar, verket kan hjälpa till att svara på frågan om vad "de andra 95%" av universum är gjorda av, genom att föreslå att svaret kan ligga i modifieringar av gravitationen snarare än nya partiklar.

"Endast 5% av materia är av en typ som vi tror att vi förstår korrekt, "Berättade Smirnov Phys.org . "För att ta upp frågan om vad vårt universum består av ('mörk materia' och 'mörk energi'), de flesta författare diskuterar alternativa partikelfysikmodeller med nya partiklar. Dock, experiment som de på LHC [Large Hadron Collider] har inte upptäckt några exotiska partiklar, än. Detta väcker frågan om gravitationssidan kanske behöver ändras.

"I vårt arbete, vi frågar vilka signaler vi kan förvänta oss av en modifiering av gravitationen, och det visar sig att bigravity har en unik sådan signal och därför kan diskrimineras från andra teorier. Den senaste tidens upptäckt av gravitationsvågor av LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] har öppnat ett nytt fönster för de mörka sektorerna i universum för oss. Oavsett om naturen har valt allmän relativitet, storhet, eller någon annan teori är en annan fråga i slutändan. Vi kan bara studera möjliga signaler för experimenter att leta efter. "

Två gravitoner istället för en

För närvarande, den bästa gravitationsteorin är Einsteins allmänna relativitetsteori, som använder ett enda mått för att beskriva rymdtid. Som ett resultat, gravitationella interaktioner medieras av en enda hypotetisk partikel som kallas en graviton, som är masslös och färdas så med ljusets hastighet.

Den största skillnaden mellan allmän relativitet och storhet är att storvetenhet använder två mått, g och f. Medan g är ett fysiskt mått och par som spelar roll, f är ett sterilt mått och spelar ingen roll. I storhet, gravitationella interaktioner medieras av två gravitoner, varav en har massa och den andra är masslös. De två gravitonerna består av olika kombinationer (eller superpositioner) av g- och f -mätvärdena, och så kopplar de till den omgivande saken på olika sätt. Förekomsten av två mått (och två gravitoner) i bigravity -ramverket leder så småningom till oscillationsfenomenet.

Som fysikerna förklarar, tanken på att det kan finnas en graviton med massa har funnits sedan nästan lika lång generell relativitet själv.

"Einsteins teori om allmän relativitet förutspår en medlare (" graviton ") av gravitationella interaktioner, som färdas med ljusets hastighet, d.v.s. som är masslös, "Sa Max." I slutet av 1930 -talet, människor försökte redan hitta en teori som innehåller en medlare som har en massa, och färdas därmed med en hastighet som är mindre än ljusets hastighet. Detta visade sig vara en mycket svår uppgift och genomfördes först nyligen 2010. Bigravity är en variant av denna ram för 2010, som inte har en, men två dynamiska mätvärden. Endast en av dem par spelar roll medan den andra inte gör det; och en linjär kombination av dem blir massiv (långsammare än ljusets hastighet) medan den andra är masslös (ljusets hastighet). "

Oscillationer

Fysikerna visar att inom ramen för storhet, som gravitationella vågor produceras och sprider sig genom rymden, de svänger mellan g- och f-typerna-även om bara g-typen kan detekteras. Även om tidigare forskning har föreslagit att dessa svängningar kan existera, det verkade leda till ofysiska resultat, som ett brott mot energibesparing. Den nya studien visar att svängningarna teoretiskt kan dyka upp i ett realistiskt fysiskt scenario när man överväger gravitonmassor som är tillräckligt stora för att kunna detekteras av nuvarande astrofysiska tester.

För att förstå dessa svängningar, forskarna förklarar att de på många sätt liknar neutrinooscillationer. Även om neutrinoer finns i tre smaker (elektron, muon, och tau), vanligtvis är neutrinoerna som produceras i kärnreaktioner elektronneutrinoer (eller elektronantinuutriner) eftersom de andra är för tunga för att bilda stabil materia. På ett liknande sätt, i storhet är det bara de g -metriska paren som spelar roll, så gravitationsvågorna som produceras av astrofysiska händelser, såsom sammanslagningar av svarta hål, är g-typ eftersom gravitationsvågor av f-typ inte spelar någon roll.

"Nyckeln till att förstå oscillationsfenomenet är att elektronneutrinoer inte har en bestämd massa:de är en superposition av de tre neutrinomassägenstaterna, "Platscher förklarade." Mer matematiskt sett, massmatrisen är inte diagonal i smaken (elektron-muon-tau). Därför, vågekvationen som beskriver hur de rör sig genom rymden kommer att blanda ihop dem och därför 'oscillerar'.

"Detsamma gäller i storhet:g är en blandning av massiv och masslös graviton, och därför som gravitationsvågen färdas genom universum, den kommer att pendla mellan gravitationsvågor av g- och f-typ. Dock, vi kan bara mäta det förstnämnda med våra detektorer (som är gjorda av materia), medan den senare skulle passera genom oss osynligt! Detta skulle, om storhet är en korrekt beskrivning av naturen, lämna ett viktigt avtryck i gravitationsvågssignalen, som vi har visat. "

Som fysikerna noterar, likheten mellan neutrinoer och gravitationella vågor håller fastän neutrinooscillation är ett kvantmekaniskt fenomen som beskrivs av Schrödinger -vågekvationen, medan gravitationell vågoscillation inte är en kvanteffekt och istället beskrivs med en klassisk vågekvation.

En särskild effekt som fysikerna förutspår är att gravitationella vågoscillationer leder till större stammoduleringar jämfört med dem som förutses av allmän relativitet. Dessa resultat tyder på en väg mot att experimentellt upptäcka gravitationella vågoscillationer och hitta stöd för stor gravitet.

"Eftersom bigravity är en mycket ung teori, det är mycket kvar att göra, och dess potential att ta itu med våra teoris brister måste utforskas, "Smirnov sa." Det har gjorts en del arbete i denna riktning, men mycket återstår fortfarande att göra och vi hoppas kunna bidra i framtiden också! "

© 2017 Phys.org