Oscylujące fale grawitacyjne rozwiązaniem zagadki budowy wszechświata?

W danych z odkrytych w ubiegłym roku fal grawitacyjnych znaleziono dowody, że oscylują one pomiędzy formami nazwanymi „g” oraz „f”. Fizycy wyjaśniają, że fenomen ten jest podobny do oscylacji neutrin, które przybierają formy elektronową, taonową i mionową.

Autorzy badań, Kevin Max ze Scuola Normale Superiore di Pisa, Moritz Platscher z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka oraz Juri Smirnov z Uniwersytetu we Florencji opublikowali wyniki swojej pracy na łamach Physical Review Letters. Wyjaśniają, że odkrycie może pomóc w odpowiedzi na pytanie, z czego składa się pozostałe 95% wszechświata. Niewykluczone, że odpowiedzią mogą być modyfikacje grawitacji, a nie nieznane cząstki. Rozumiemy jedynie 5% materii. Większość fizyków, zastanawiając się, z czego zbudowanych jest pozostałych 95% wszechświata dyskutuje o alternatywnym modelu fizyki cząstek z nowymi cząstkami. Jednak eksperymenty prowadzone m.in. w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), nie wykazały dotychczas istnienia nieznanych cząstek. To każe nam zapytać, czy nie powinniśmy raczej modyfikować grawitacyjnych części teorii – mówi Smirnov.

W naszej pracy zapytaliśmy się, czego możemy spodziewać się gdy zmodyfikujemy grawitację i okazało się, że grawitacja bimetryczna – bigrawitacja – charakteryzuje się własnymi cechami, można ją więc odróżnić od innych teorii. Niedawne odkrycie fal grawitacyjnych przez LIGO otworzyło nowe okno, przez które możemy zajrzeć do ciemnych zakątków wszechświata. Na końcu będziemy musieli odpowiedzieć na pytanie, czy natura wybrała ogólną teorię względności, bigrawitację czy jeszcze inną teorię. Nam pozostaje badać wszystkie możliwe sygnały, dodaje uczony.

Najlepszą teorią opisującą grawitację jest obecnie ogólna teoria względności, wedle której hipotetyczna cząstka zwana grawitonem przenosi oddziaływania grawitacyjne. Natomiast hipoteza o bigrawitacji mówi o dwóch elementach, „g” i „f”, z których pierwszy oddziałuje na materię, a drugi nie. Z bigrawitacji wynika zatem, że mamy dwa grawitony, z których jeden ma masę, drugi jej nie posiada. Grawitony te są stworzone z różnych superpozycji „g” i „f” i w różny sposób wchodzą w interakcje z materią. Istnienie dwóch grawitonów prowadzi do pojawienia się oscylacji.

Teoria Einsteina przewiduje istnienie jednego mediatora interakcji grawitacyjnych. Porusza się on z prędkością światła i nie ma masy. Pod koniec lat 30. próbowano opracować teorię, w której pojawiałby się mediator posiadający masę i poruszający się wolniej niż prędkość światła. To się nie udało. Opracowano ją dopiero w roku 2010, a bigrawitacja to odmiana tamtej teorii, która mówi nie o jednym, a o dwóch mediatorach, z których jeden ma masę, a drugi nie, wyjaśnia Max.

Fizycy wykazali, że fale grawitacyjne oscylują pomiędzy typem „g”, który można wykryć, oraz niemożliwym do wykrycia typem „f”. Już wcześniejsze badania sugerowały, że takie oscylacje mogą mieć miejsce, jednak wydawało się, że łamią one podstawowe prawa fizyki, jak na przykład zasadę zachowania energii. Nowe badania wykazały, że oscylacje takie są zgodne z zasadami fizyki jeśli uznamy, że masy grawitonu są wystarczająco duże, by wykryć je współczesnymi metodami.

Kluczem do zrozumienia fenomenu oscylacji neutrin jest przyjęcie, że neutrino elektronowe nie ma określonej masy, jest superpozycją masz wszystkich trzech neutrin. Z matematycznego punktu widzenia możemy powiedzieć, że funkcja falowa opisująca ich ruch w przestrzeni miesza je i dlatego neutrina oscylują. To samo ma miejsce w bigrawitacji. „G” jest mieszaniną grawitonu posiadającego masę i grawitonu, który masy nie posiada. Gdy fala grawitacyjne przemieszcza się po wszechświecie oscyluje pomiędzy falami typu „g” i „f”. Możemy jednak zarejestrować tylko formę „g”, gdyż nasze urządzenia są zbudowane z materii. Forma „f” nam umyka niezauważona. Jednak, jeśli hipoteza bigrawitacji jest prawdziwa, oscylacje pozostawią swój ślad w sygnale fali grawitacyjnej. I to właśnie wykazaliśmy, stwierdza Platscher.

fale grawitacyjne oscylacja neutrino wszechświat