(Phys.org) — Met behulp van gegevens van de allereerste zwaartekrachtgolven die vorig jaar zijn gedetecteerd, samen met een theoretische analyse, natuurkundigen hebben aangetoond dat zwaartekrachtsgolven kunnen oscilleren tussen twee verschillende vormen, genaamd "g" en "f"-type zwaartekrachtgolven. De natuurkundigen leggen uit dat dit fenomeen analoog is aan de manier waarop neutrino's oscilleren tussen drie verschillende smaken:elektron, muon, en tau. De oscillerende zwaartekrachtsgolven ontstaan ​​in een gewijzigde zwaartekrachttheorie genaamd bimetrische zwaartekracht, of "zwaartekracht, " en de natuurkundigen laten zien dat de oscillaties mogelijk detecteerbaar zijn in toekomstige experimenten.

De onderzoekers, Kevin Max, een PhD student aan Scuola Normale Superiore di Pisa en INFN Pisa, Italië; Moritz Platscher, een promovendus aan het Max Planck Instituut voor Kernfysica, Duitsland; en Juri Smirnov, een postdoc aan de Universiteit van Florence, Italië, hebben een artikel gepubliceerd over hun analyse van oscillaties van zwaartekrachtgolven in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Zoals de natuurkundigen uitleggen, het werk kan helpen bij het beantwoorden van de vraag waaruit "de andere 95%" van het universum bestaat, door te suggereren dat het antwoord kan liggen in aanpassingen aan de zwaartekracht in plaats van nieuwe deeltjes.

"Slechts 5% van de materie is van een type dat we denken goed te begrijpen, " vertelde Smirnov Phys.org . "Om de vraag te beantwoorden waaruit ons universum bestaat ('donkere materie' en 'donkere energie'), de meeste auteurs bespreken alternatieve deeltjesfysica-modellen met nieuwe deeltjes. Echter, experimenten zoals die bij de LHC [Large Hadron Collider] hebben geen exotische deeltjes gedetecteerd, nog. Dit roept de vraag op of misschien de zwaartekrachtskant moet worden aangepast.

"In ons werk we vragen welke signalen we kunnen verwachten van een wijziging van de zwaartekracht, en het blijkt dat bigravity een uniek signaal heeft en daarom kan worden onderscheiden van andere theorieën. De recente detectie van zwaartekrachtsgolven door LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] heeft voor ons een nieuw venster geopend op de donkere sectoren van het universum. Of de natuur heeft gekozen voor algemene relativiteit, grootsheid, of een andere theorie is uiteindelijk een andere vraag. We kunnen alleen mogelijke signalen bestuderen waar experimentatoren naar kunnen zoeken."

Twee gravitonen in plaats van één

Momenteel, de beste zwaartekrachttheorie is Einsteins algemene relativiteitstheorie, die een enkele metriek gebruikt om ruimtetijd te beschrijven. Als resultaat, zwaartekrachtinteracties worden gemedieerd door een enkel hypothetisch deeltje genaamd graviton, die massaloos is en dus met de snelheid van het licht reist.

Het belangrijkste verschil tussen algemene relativiteit en bigravity is dat bigravity twee statistieken gebruikt, g en f. Terwijl g een fysieke metriek is en koppelt aan materie, f is een steriele metriek en is niet gekoppeld aan materie. in grote mate, zwaartekrachtinteracties worden gemedieerd door twee gravitonen, waarvan de ene massa heeft en de andere massaloos. De twee gravitonen zijn samengesteld uit verschillende combinaties (of superposities) van de g- en f-metrieken, en dus koppelen ze op verschillende manieren aan de omringende materie. Het bestaan ​​van twee metrieken (en twee gravitonen) in het bigravity-raamwerk leidt uiteindelijk tot het oscillatiefenomeen.

Zoals de natuurkundigen uitleggen, het idee dat er een graviton met massa zou kunnen bestaan, bestaat al bijna net zo lang als de algemene relativiteitstheorie zelf.

"Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt één bemiddelaar (de 'graviton') van de zwaartekrachtinteracties, die reist met de snelheid van het licht, d.w.z., die massaloos is, " zei Max. "Terug in de late jaren 1930, mensen probeerden al een theorie te vinden die een bemiddelaar bevat die een massa heeft, en reist dus met een snelheid die lager is dan de lichtsnelheid. Dit bleek een zeer moeilijke taak en werd pas onlangs in 2010 voltooid. Bigravity is een variatie op dit 2010-raamwerk, die niet één kenmerkt, maar twee dynamische statistieken. Slechts een van hen koppelt er toe, terwijl de ander dat niet doet; en een lineaire combinatie van hen wordt massief (langzamer dan de lichtsnelheid), terwijl de andere massaloos is (snelheid van het licht)."

oscillaties

De natuurkundigen laten zien dat in het kader van bigravity, als zwaartekrachtgolven worden geproduceerd en zich door de ruimte voortplanten, ze oscilleren tussen het g- en f-type, hoewel alleen het g-type kan worden gedetecteerd. Hoewel eerder onderzoek heeft gesuggereerd dat deze oscillaties kunnen bestaan, het bleek tot onfysische resultaten te leiden, zoals een schending van energiebesparing. De nieuwe studie toont aan dat de oscillaties theoretisch kunnen ontstaan ​​in een realistisch fysiek scenario wanneer rekening wordt gehouden met gravitonmassa's die groot genoeg zijn om te worden gedetecteerd door huidige astrofysische tests.

Om deze trillingen te begrijpen, de wetenschappers leggen uit dat ze in veel opzichten op neutrino-oscillaties lijken. Hoewel neutrino's in drie smaken verkrijgbaar zijn (elektron, muon, en tau), typisch de neutrino's die bij kernreacties worden geproduceerd, zijn elektronenneutrino's (of elektronen-anti-neutrino's) omdat de andere te zwaar zijn om stabiele materie te vormen. Op een soortgelijke manier, in bigravity alleen de g-metrische paren van belang, dus de zwaartekrachtsgolven geproduceerd door astrofysische gebeurtenissen, zoals fusies van zwarte gaten, zijn van het g-type omdat zwaartekrachtsgolven van het f-type niet aan materie koppelen.

"De sleutel tot het begrijpen van het oscillatiefenomeen is dat elektronenneutrino's geen vaste massa hebben:ze zijn een superpositie van de drie eigentoestanden van de neutrinomassa, " legde Platscher uit. "Meer wiskundig gesproken, de massamatrix is ​​niet diagonaal in de smaak (elektron-muon-tau) basis. Daarom, de golfvergelijking die beschrijft hoe ze door de ruimte bewegen, zal ze door elkaar halen en daarom 'oscilleren'.

"Hetzelfde geldt voor bigravity:g is een mengsel van het massieve en het massaloze graviton, en daarom, terwijl de zwaartekrachtsgolf door het heelal reist, het zal oscilleren tussen g- en f-type zwaartekrachtgolven. Echter, we kunnen de eerste alleen meten met onze detectoren (die van materie zijn gemaakt), terwijl de laatste ongezien door ons heen zou gaan! Dit zou, als bigravity een correcte beschrijving van de natuur is, een belangrijke afdruk achterlaten in het zwaartekrachtgolfsignaal, zoals we hebben laten zien."

Zoals de natuurkundigen opmerken, de overeenkomst tussen neutrino's en zwaartekrachtsgolven blijft bestaan, ook al is neutrino-oscillatie een kwantummechanisch fenomeen dat wordt beschreven door de Schrödinger-golfvergelijking, terwijl zwaartekrachtgolfoscillatie geen kwantumeffect is en in plaats daarvan wordt beschreven door een klassieke golfvergelijking.

Een specifiek effect dat de natuurkundigen voorspellen, is dat oscillaties van zwaartekrachtgolven leiden tot grotere rekmodulaties in vergelijking met die voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Deze resultaten suggereren een pad naar het experimenteel detecteren van oscillaties van zwaartekrachtgolven en het vinden van ondersteuning voor bigravity.

"Omdat bigravity een zeer jonge theorie is, er moet nog veel gebeuren, en het potentieel om de tekortkomingen van onze theorieën aan te pakken moet worden onderzocht, "Zei Smirnov. "Er is wat werk in deze richting geweest, maar er moet zeker nog veel gebeuren en we hopen ook in de toekomst een bijdrage te kunnen leveren!"

© 2017 Fys.org