FIZICIENII AU TESTAT VITEZA LUMINII LA CELE MAI ÎNALTE NIVELE ENERGETICE POSIBILE PÂNĂ ACUM
Fizicienii au efectuat cel mai complex test de până acum al energiei înalte pentru viteza luminii și au concluzionat că aceasta este constantă pretutindeni în univers, chiar și în razele gamma provenite din surse precum exploziile stelare.
Asta înseamnă că, chiar și în cazul celor mai înalte energii pe care le putem detecta, unul dintre pilonii teoriei relativității speciale a lui Albert Einstein își păstrează integritatea.
”Cum se comportă relativitatea la nivel energiilor înalte are consecințe reale pentru lumea înconjurătoare”, a spus astrofizicianul Pat Harding de la Laboratorul Național Los Alamos din New Mexico.
”După cele mai multe modele de gravitație cuantică, relativitatea nu funcționează în cazul energiilor celor mai înalte. Observațiile noastre asupra unor asemenea fotoni de energie înaltă cresc pe scara energetică în care relativitatea este menținută de mai mult de un factor dintr-o sută”.
Invarianța Lorentz este un principiu fundamental al relativității speciale. Ea stipulează că, indiferent unde te afli în Univers, legile fizicii – incluzând viteza luminii, rămân aceleași.
Există, însă, teorii care sugerează că invarianța Lorentz ar putea să nu funcționeze în cazul energiilor înalte. Dacă aceasta s-ar întâmpla cu adevărat, ar însemna că avem nevoie de noi legi ale fizicii, care să le explice. Dar ar trebui să avem, de asemenea, abilitatea de a le detecta.
Dacă invarianța Lorentz se sparge la nivelul energiilor înalte, atunci fenomenele proprii energiilor înalte ar trebui să arate un comportament neașteptat, neconform cu relativitatea; lumina, de pildă, ar putea călătorii cu viteze diferite.
Aici intră în scenă razele gamma, un tip de lumină de energie înaltă cu cea mai scurtă lungime de undă a spectrului electromagnetic, produsă de descompunerea radioactivă a nucleelor atomice.
Razele gamma sunt emise din supernove, stele neutronice, erupții stelare și din regiuni din jurul găurilor negre – cu alte cuvinte, fenomene spațiale foarte extreme.
Dacă razele gamma ar fi accelerat – sub imperiul eludării invarianței Lorentz, fotonii razelor gamma s-ar descompune în particule cu energie mai joasă înainte de a ajunge pe Terra. Aceste particule de energie joasă ar putea sau nu să ajungă pe Terra, dar ele nu ar mai fi oricum raze gamma.
Acum vom lua în discuție ”High-Altitude Water Cherenkov Observatory (HAWC)”, detectorul de raze gamma situat la cea mai mare altitudine de pe planetă și care a fost proiectat pentru a detecta raze gamma înalt energetice, de la 100 miliarde la 100 triliarde de electronvolți (100 gigaelectronvolți, sau GeV, către 100 teraelectronvolți, sau TeV). Asta înseamnă valori de aproximativ 100 miliarde până la 100 triliarde mai mult decât lumina vizibilă – dacă am putea vedea aceste valori, ar fi orbitor.
Observatorul HAWC este un detector Cherenkov. El constă dintr-o rețea de rezervoare umplute cu apă, cu tuburi foto-multiplicative care pot detecta lumina. Când o rază gamma ajunge în atmosfera superioară, ea pierde energie datorită interacțiunilor cu moleculele atmosferice, creând un duș cascadă de particule cu viteza luminii. Observatorul HAWC este proiectat să detecteze tocmai aceste particule amintite. Când acestea pătrund în apă cu viteze mari, acestea călătoresc ușor mai rapid decât poate călători lumina prin apă, de vreme ce apa încetinește ușor viteza luminii. Acest fenomen produce un ”boom luminos” – echivalentul unui ”boom sonic” – care produce o lucire în ultraviolet. Această lucire este numită radiație Cherenkov, și ea este captată de către tuburile de foto-multiplicare.
Cu cât este mai mare energia razelor-X, cu atât mai multe particule sunt în dușul rezultat. Asta e metoda prin care fizicienii pot distinge între energiile razelor gamma.
Cu această metodă, Observatorul HAWC a detectat recent un număr de raze gamma cu energii mai mari de 100 100 TeV. Numai că acest fapt plasează constrângeri asupra eludării invarianței Lorentz – înseamnă că fotonii au au călătorit mai rapid decât viteza luminii în vid.
În fapt, nici una dintre acestea nu au arătat semne ale descompunerii fotonilor ce ar putea fi asociate cu eludarea invarianței Lorentz.
Asta nu înseamnă că invarianța Lorentz nu poate fi eludată cu energii foarte înalte, dar înseamnă că nu s-a rupt în limitele noastre de detectare. Și aceasta este o formulă elegantă.
”Detectări ale unor raze gamma cu energii chiar și mai înalte, sosite de la distanțe astronomice ne va permite verificări mult mai largi și mai exacte asupra relativității,” a precizat Harding.
”Pe măsură ce HAWC ca colecta și mai multe date în următorii ani și va încorpora îmbunătățirile de la Los Alamos către detector și tehnicile de analiză ale energiilor înalte, vom putea studia această fizică chiar și mai în profunzime”
Cercetarea a fost publicată în Physical Review Letters.
Sursa: Sciencealert; Foto: Nebuloasa Crab, o sursă de raze gamma; Credit foto: NASA/ESA/J. Hester/A. Loll/Arizona State University; Traducere și adaptare: Crișan Petru Ciprian
