2015 ledde LIGO/Virgo-experimentet, en storskalig forskningsinsats baserat på två observatorier i USA, till den första direkta observationen av gravitationsvågor. Denna viktiga milstolpe har sedan dess fått fysiker över hela världen att ta fram nya teoretiska beskrivningar för dynamiken i svarta hål, som bygger på data som samlats in av LIGO/Virgo-samarbetet.
Forskare vid Uppsala universitet, University of Oxford och Université de Mons gav sig nyligen ut för att förklara dynamiken i Kerrs svarta hål, teoretiskt förutspådda svarta hål som roterar med konstant hastighet, med hjälp av teorin om massiva partiklar med hög spinn. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters , föreslår specifikt att dynamiken hos dessa roterande svarta hål begränsas av principen om mätsymmetri, vilket antyder att vissa förändringar av parametrar i ett fysiskt system inte skulle ha någon mätbar effekt.
"Vi eftersträvade en koppling mellan roterande Kerr-svarta hål och massiva partiklar med högre spinn," sa Henrik Johansson, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Med andra ord, vi modellerade det svarta hålet som en roterande fundamental partikel, liknande hur elektronen behandlas i kvantelektrodynamik."
Kopplingen mellan Kerrs svarta hål och teori om högre spinn undersöktes först i två distinkta artiklar publicerade 2019. Den första av dessa studier utfördes av Alfredo Guevara vid Perimeter Institute for Theoretical Physics och hans medarbetare i Europa, medan den andra av dessa studier utfördes av Alfredo Guevara vid Perimeter Institute for Theoretical Physics och hans medarbetare i Europa. Ming-Zhi Chung vid National Taiwan University och hans kollegor vid Seoul National University.
Båda dessa tidigare verk visade att den välkända Kerr-metriken kan matchas till en oändlig familj av spridningsamplituder med högre spinn. Dessa amplituder erhölls först av fysikerna Nima Arkani-Hamed, Tzu-Chen Huang och Yu-tin Huang, som en del av en tidigare studie.
"Även om dessa tidigare resultat är anmärkningsvärda, är de ännu inte tillräckliga för att exakt beskriva Kerrs svarta håls dynamik med tanke på kommande experiment, som Einstein-teleskopet, LISA och Cosmic Explorer," sa Johansson. "En del viktig saknad information finns i det svarta hålets Compton-spridningsamplitud, som för närvarande är okänd för allmän spin."
I sin artikel föreslår Johansson och hans kollegor att principen om mätsymmetri skulle kunna användas för att framgångsrikt begränsa dynamiken hos roterande svarta hål. Forskarna visade att massiv symmetri med högre spinnmätare, informerad av en mekanism som först beskrivits av Ernst Stueckelberg och senare formaliserad av Yurii Zinoviev, kan användas för att reproducera Kerr-spridningsamplituderna som rapporterats i tidigare tidningar.
"Vi visade också att de okända Compton-spridningsamplituderna är kraftigt begränsade, även om det krävs ytterligare input för att uppnå unikhet," sa Johansson.
"Kvantfältsteorier med högre spinn (QFT) är ökända för sin komplexitet. Även lågspin QFT, som spin-1-fallet i standardmodellen och spin-2-fallet med General Relativity, är naturligtvis komplicerade, och deras formuleringar förlitar sig i grunden på gauge symmetri och diffeomorphism symmetri (allmän kovarians) Dessa två symmetrier kan betraktas som de två lägsta stegen på en oändlig stege som kallas högre spin gauge symmetri."
Även om mätsymmetri inte är nödvändig för att beskriva dynamiken hos massiva partiklar, har det visat sig vara ett värdefullt verktyg för att beskriva konsekventa interaktioner. En insikt om denna massiva gaugesymmetri är den så kallade Higgs-mekanismen.
"Genom att använda massiv symmetri med högre spinnmätare för svarta hål kunde vi säkerställa att spinnfrihetsgraderna behandlas konsekvent och skriva ner en effektiv Lagrangian," förklarade Johansson, "Larangianen ger båda den korrekta högre spinnbeskrivningen av en Kerr-svart. hål och har ett någorlunda bra högenergibeteende Det goda högenergibeteendet är inte viktigt för klassiska svarta hål, men det ger viss förtroende för att den effektiva teorin också kan beskriva vissa kvantprocesser."
Johansson och hans kollegor var de första som tillämpade symmetri med högre spinnmått på svarta hål. Resultatet av deras första beräkningar är lovande och kan snart bana väg för ytterligare studier som utforskar denna länk.
"Medan vi förväntar oss att det kommer att ta lite tid innan den fullständiga effektiva teorin för roterande svarta hål förstås, tror vi att symmetri med högre spinnmätare kommer att vara en kritisk komponent i dess formulering, liknande hur mätsymmetri och diffeomorfisymmetri styrde den teoretiska ramverket för 1900-talets fysik," sa Johansson. "Den kompletta Compton-spridningsamplituden för ett Kerr-svart hål förblir gåtfull, men vi har stora förhoppningar om att kunna begränsa den fullt ut i framtiden. Detta innebär både att förstå den för godtyckliga spin-order och till högre order i Newtons konstant."
Att helt begränsa spridningsamplituden för Kerrs svarta hål kommer i slutändan att kräva ett nära samarbete mellan teoretiska fysiker som studerar massiva partiklar med högre spinn och de som försöker lösa den så kallade Teukolsky-ekvationen med rötter i den allmänna relativitetsteorin. Nyligen genomförda samarbeten mellan dessa distinkta forskningsgemenskaper tyder på att framsteg snart kan göras i denna riktning.
"I våra nästa arbeten skulle vi också vilja fortsätta att driva sambandet mellan svarta hål och deras kvantegenskaper, som påminner om elementarpartiklar," tillade Johansson.
Mer information: Lucile Cangemi et al, Kerr Black Holes från Massive Higher-Spin Gauge Symmetry, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.221401
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2023 Science X Network
