Nel 2015, l’esperimento LIGO/Virgo, un progetto di ricerca su larga scala condotto in due osservatori negli Stati Uniti, ha portato alla prima osservazione diretta delle onde gravitazionali. Da allora, questo importante traguardo ha spinto i fisici di tutto il mondo a ideare nuove descrizioni teoriche per la dinamica dei buchi neri, basandosi sui dati raccolti dalla collaborazione LIGO/Virgo.
I ricercatori dell’Università di Uppsala, dell’Università di Oxford e dell’Università di Mons hanno recentemente iniziato a spiegare la dinamica dei buchi neri di Kerr, prevedendo teoricamente buchi neri che ruotano a una velocità costante, utilizzando la teoria delle particelle massicce ad alto spin. Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , propone specificamente che la dinamica di questi buchi neri rotanti sia vincolata dal principio della simmetria di Gauge, il che suggerisce che alcuni cambiamenti dei parametri di un sistema fisico non avrebbero effetti misurabili.
"Abbiamo cercato una connessione tra i buchi neri di Kerr rotanti e le particelle massicce con spin più elevato", ha detto a Phys.org Henrik Johansson, coautore dell'articolo. "In altre parole, abbiamo modellato il buco nero come una particella fondamentale che ruota, in modo simile a come viene trattato l'elettrone nell'elettrodinamica quantistica."
La connessione tra i buchi neri di Kerr e la teoria dello spin superiore è stata esplorata per la prima volta in due distinti articoli pubblicati nel 2019. Il primo di questi studi è stato condotto da Alfredo Guevara presso il Perimeter Institute for Theoretical Physics e dai suoi collaboratori in Europa, mentre il secondo da Ming-Zhi Chung dell'Università Nazionale di Taiwan e i suoi colleghi dell'Università Nazionale di Seul.
Entrambi questi lavori precedenti hanno dimostrato che la ben nota metrica di Kerr può essere abbinata a una famiglia infinita di ampiezze di scattering con spin più elevato. Queste ampiezze sono state ottenute per la prima volta dai fisici Nima Arkani-Hamed, Tzu-Chen Huang e Yu-tin Huang, come parte di uno studio precedente.
"Sebbene questi risultati precedenti siano notevoli, non sono ancora sufficienti per descrivere accuratamente la dinamica del buco nero di Kerr in vista dei prossimi esperimenti, come il telescopio Einstein, LISA e il Cosmic Explorer", ha detto Johansson. "Alcune importanti informazioni mancanti sono contenute nell'ampiezza dello scattering Compton del buco nero, che è attualmente sconosciuta per lo spin generale."
Nel loro articolo, Johansson e i suoi colleghi suggeriscono che il principio della simmetria di Gauge potrebbe essere utilizzato per limitare con successo la dinamica dei buchi neri rotanti. I ricercatori hanno dimostrato che la simmetria massiccia di calibro di spin più elevato, informata da un meccanismo delineato per la prima volta da Ernst Stueckelberg e successivamente formalizzato da Yurii Zinoviev, può essere utilizzata per riprodurre le ampiezze dello scattering di Kerr riportate in articoli precedenti.
"Abbiamo anche dimostrato che le ampiezze sconosciute dello scattering Compton sono fortemente limitate, anche se il raggiungimento dell'unicità richiede ulteriori input", ha affermato Johansson.
"Le teorie quantistiche dei campi a spin più elevato (QFT) sono note per la loro complessità. Anche le QFT a basso spin, come il caso con spin 1 del Modello Standard e il caso con spin 2 della Relatività Generale, sono ovviamente complicati, e le loro formulazioni si basano fondamentalmente sulla simmetria di Gauge e sulla simmetria del diffeomorfismo (covarianza generale). Queste due simmetrie possono essere considerate come i due gradini più bassi di una scala infinita chiamata simmetria di Gauge con spin superiore.
Sebbene la simmetria di Gauge non sia necessaria per descrivere la dinamica delle particelle massicce, si è rivelata uno strumento prezioso per delineare interazioni coerenti. Una realizzazione di questa massiccia simmetria di Gauge è il cosiddetto meccanismo di Higgs.
"Utilizzando una massiccia simmetria di calibro di spin più elevato per i buchi neri, potremmo garantire che i gradi di libertà di spin siano trattati in modo coerente e scrivere una lagrangiana efficace", ha spiegato Johansson, "La lagrangiana fornisce sia la descrizione corretta di spin più alto di un nero di Kerr buco nero e ha un comportamento ragionevolmente buono alle alte energie. Il buon comportamento alle alte energie non è importante per i buchi neri classici, ma dà una certa sicurezza che la teoria efficace possa anche descrivere determinati processi quantistici."
Johansson e i suoi colleghi furono i primi ad applicare ai buchi neri la simmetria di gauge con spin più elevato. Il risultato dei loro calcoli iniziali è promettente e potrebbe presto aprire la strada a ulteriori studi che esplorano questo collegamento.
"Anche se ci aspettiamo che ci vorrà del tempo prima che venga compresa la piena teoria effettiva dei buchi neri rotanti, pensiamo che la simmetria di Gauge con spin più elevato sarà una componente critica nella sua formulazione, in modo simile a come la simmetria di Gauge e la simmetria del diffeomorfismo hanno guidato la teoria teorica. quadro della fisica del 20° secolo", ha detto Johansson. "L'ampiezza completa dello scattering Compton per un buco nero di Kerr rimane enigmatica, ma abbiamo grandi speranze di riuscire a limitarla completamente in futuro. Ciò implica sia comprenderla per ordini di spin arbitrari, sia per ordini più alti nella costante di Newton." /P>
Limitare completamente l’ampiezza di diffusione dei buchi neri di Kerr richiederà in definitiva una stretta collaborazione tra i fisici teorici che studiano particelle massicce con spin più elevato e coloro che cercano di risolvere la cosiddetta equazione di Teukolsky, radicata nella teoria della relatività generale. Recenti collaborazioni tra queste distinte comunità di ricerca suggeriscono che presto potrebbero essere compiuti progressi in questa direzione.
"Nei nostri prossimi lavori vorremmo anche approfondire la connessione tra i buchi neri e le loro proprietà quantistiche, che ricordano le particelle elementari", ha aggiunto Johansson.
Ulteriori informazioni: Lucile Cangemi et al, Kerr Black Holes from Massive Higher-Spin Gauge Symmetry, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.221401
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