Beide eerdere werken hebben aangetoond dat de bekende Kerr-metriek kan worden gekoppeld aan een oneindige familie van verstrooiingsamplitudes met hogere spin. Deze amplitudes werden voor het eerst verkregen door natuurkundigen Nima Arkani-Hamed, Tzu-Chen Huang en Yu-tin Huang, als onderdeel van een eerder onderzoek.

"Hoewel deze eerdere resultaten opmerkelijk zijn, zijn ze nog niet voldoende om de dynamiek van Kerr-zwarte gaten nauwkeurig te beschrijven met het oog op komende experimenten, zoals de Einstein-telescoop, LISA en de Cosmic Explorer", aldus Johansson. "Er zit een aantal belangrijke ontbrekende informatie in de Compton-verstrooiingsamplitude van het zwarte gat, die momenteel onbekend is voor algemene spin."

In hun artikel suggereren Johansson en zijn collega's dat het principe van ijksymmetrie zou kunnen worden gebruikt om met succes de dynamiek van roterende zwarte gaten te beperken. De onderzoekers toonden aan dat enorme symmetrie met een hogere spin, gebaseerd op een mechanisme dat voor het eerst werd geschetst door Ernst Stueckelberg en later werd geformaliseerd door Yurii Zinovjev, kan worden gebruikt om de Kerr-verstrooiingsamplitudes te reproduceren die in eerdere artikelen zijn gerapporteerd.

"We hebben ook aangetoond dat de onbekende Compton-verstrooiingsamplitudes ernstig beperkt zijn, zelfs als het bereiken van uniciteit verdere input vereist", aldus Johansson.

‘Kwantumveldtheorieën met een hogere spin (QFT’s) zijn berucht vanwege hun complexiteit. Zelfs QFT’s met een lage spin, zoals het spin-1-geval van het standaardmodel en het spin-2-geval van de algemene relativiteitstheorie, zijn natuurlijk ingewikkeld, en hun formuleringen zijn fundamenteel gebaseerd op ijksymmetrie en diffeomorfisme-symmetrie (algemene covariantie). Deze twee symmetrieën kunnen worden beschouwd als de laagste twee sporten op een oneindige ladder die ijksymmetrie met hogere spin wordt genoemd."

Hoewel ijksymmetrie niet nodig is om de dynamiek van massieve deeltjes te beschrijven, is het een waardevol hulpmiddel gebleken om consistente interacties in kaart te brengen. Eén realisatie van deze enorme ijksymmetrie is het zogenaamde Higgs-mechanisme.

‘Door gebruik te maken van enorme symmetrie met een hogere spin voor zwarte gaten, kunnen we ervoor zorgen dat de vrijheidsgraden consistent worden behandeld en een effectieve Lagrangiaan opschrijven,’ legt Johansson uit. ‘De Lagrangiaan geeft beide de juiste beschrijving met een hogere spin van een Kerr-zwarte gat. gat en heeft een redelijk goed hoogenergetisch gedrag. Het goede hoogenergetische gedrag is niet belangrijk voor klassieke zwarte gaten, maar het geeft enig vertrouwen dat de effectieve theorie ook bepaalde kwantumprocessen zou kunnen beschrijven."

Johansson en zijn collega's waren de eersten die symmetrie met een hogere spin toepasten op zwarte gaten. Het resultaat van hun eerste berekeningen is veelbelovend en zou binnenkort de weg kunnen vrijmaken voor verder onderzoek naar dit verband.

‘Hoewel we verwachten dat het enige tijd zal duren voordat de volledige effectieve theorie voor roterende zwarte gaten wordt begrepen, denken we dat ijksymmetrie met hogere spin een cruciaal onderdeel zal zijn in de formulering ervan, vergelijkbaar met hoe ijksymmetrie en diffeomorfismesymmetrie de theoretische symmetrie leidden. raamwerk van de 20e-eeuwse natuurkunde”, aldus Johansson. ‘De volledige Compton-verstrooiingsamplitude voor een zwart gat van Kerr blijft raadselachtig, maar we hebben goede hoop dat we deze in de toekomst volledig kunnen beperken. Dit houdt in dat we deze zowel begrijpen voor willekeurige spin-orders als voor hogere orden in de constante van Newton.’ /P>

Het volledig beperken van de verstrooiingsamplitude van zwarte gaten van Kerr zal uiteindelijk een nauwe samenwerking vereisen tussen theoretische natuurkundigen die massieve deeltjes met een hogere spin bestuderen en degenen die de zogenaamde Teukolsky-vergelijking proberen op te lossen, die geworteld is in de algemene relativiteitstheorie. Recente samenwerkingen tussen deze verschillende onderzoeksgemeenschappen duiden erop dat er binnenkort vooruitgang in deze richting kan worden geboekt.

"In ons volgende werk willen we ook het verband tussen zwarte gaten en hun kwantumeigenschappen, die doen denken aan elementaire deeltjes, verder onderzoeken", voegde Johansson eraan toe.

Meer informatie: Lucile Cangemi et al., Kerr Black Holes from Massive Higher-Spin Gauge Symmetry, Fysieke recensiebrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.221401

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

© 2023 Science X Netwerk