En 2015, el experimento LIGO/Virgo, un esfuerzo de investigación a gran escala con sede en dos observatorios de Estados Unidos, condujo a la primera observación directa de ondas gravitacionales. Desde entonces, este importante hito ha impulsado a físicos de todo el mundo a idear nuevas descripciones teóricas de la dinámica de los agujeros negros, basándose en los datos recopilados por la colaboración LIGO/Virgo.
Investigadores de la Universidad de Uppsala, la Universidad de Oxford y la Universidad de Mons se propusieron recientemente explicar la dinámica de los agujeros negros de Kerr, agujeros negros predichos teóricamente que giran a un ritmo constante, utilizando la teoría de partículas masivas de alto espín. Su artículo, publicado en Physical Review Letters , propone específicamente que la dinámica de estos agujeros negros en rotación está limitada por el principio de simetría de calibre, lo que sugiere que algunos cambios en los parámetros de un sistema físico no tendrían ningún efecto mensurable.
"Buscamos una conexión entre los agujeros negros de Kerr en rotación y las partículas masivas de alto espín", dijo a Phys.org Henrik Johansson, coautor del artículo. "En otras palabras, modelamos el agujero negro como una partícula fundamental que gira, de forma similar a cómo se trata el electrón en la electrodinámica cuántica".
La conexión entre los agujeros negros de Kerr y la teoría del espín superior se exploró por primera vez en dos artículos distintos publicados en 2019. El primero de estos estudios fue realizado por Alfredo Guevara en el Instituto Perimeter de Física Teórica y sus colaboradores en Europa, mientras que el segundo por Ming-Zhi Chung de la Universidad Nacional de Taiwán y sus colegas de la Universidad Nacional de Seúl.
Estos dos trabajos anteriores demostraron que la conocida métrica de Kerr puede combinarse con una familia infinita de amplitudes de dispersión de espín superior. Estas amplitudes fueron obtenidas por primera vez por los físicos Nima Arkani-Hamed, Tzu-Chen Huang y Yu-tin Huang, como parte de un estudio previo.
"Si bien estos resultados anteriores son notables, todavía no son suficientes para describir con precisión la dinámica de los agujeros negros de Kerr en vista de los próximos experimentos, como el telescopio Einstein, LISA y el Cosmic Explorer", dijo Johansson. "Alguna información importante que falta está contenida en la amplitud de dispersión de Compton del agujero negro, que actualmente se desconoce para el giro general."
En su artículo, Johansson y sus colegas sugieren que el principio de simetría de calibre podría usarse para limitar con éxito la dinámica de los agujeros negros en rotación. Los investigadores demostraron que la simetría masiva de calibre de espín superior, informada por un mecanismo descrito por primera vez por Ernst Stueckelberg y luego formalizado por Yurii Zinoviev, puede usarse para reproducir las amplitudes de dispersión de Kerr reportadas en artículos anteriores.
"También demostramos que las amplitudes desconocidas de dispersión de Compton están severamente limitadas, incluso si lograr la unicidad requiere más información", dijo Johansson.
"Las teorías de campos cuánticos de espín superior (QFT, por sus siglas en inglés) son famosas por su complejidad. Incluso las QFT de espín bajo, como el caso de espín 1 del modelo estándar y el caso de espín 2 de la Relatividad General, son, por supuesto, complicadas, y sus formulaciones se basan fundamentalmente en la simetría de calibre y la simetría de difeomorfismo (covarianza general). Estas dos simetrías pueden considerarse como los dos peldaños más bajos de una escalera infinita que se denomina simetría de calibre de espín superior.
Si bien la simetría de calibre no es necesaria para describir la dinámica de partículas masivas, ha demostrado ser una herramienta valiosa para delinear interacciones consistentes. Una realización de esta enorme simetría de calibre es el llamado mecanismo de Higgs.
"Utilizando una simetría masiva de calibre de espín superior para los agujeros negros, podríamos garantizar que los grados de libertad de espín se traten de manera consistente y escribir un lagrangiano efectivo", explicó Johansson, "ambos lagrangianos dan la descripción correcta de un espín superior de un negro de Kerr". agujero y tiene un comportamiento de alta energía razonablemente bueno. El buen comportamiento de alta energía no es importante para los agujeros negros clásicos, pero da cierta confianza en que la teoría efectiva también podría describir ciertos procesos cuánticos."
Johansson y sus colegas fueron los primeros en aplicar una simetría de calibre de espín superior a los agujeros negros. El resultado de sus cálculos iniciales es prometedor y pronto podría allanar el camino para futuros estudios que exploren este vínculo.
"Si bien esperamos que pase algún tiempo antes de que se comprenda la teoría completa y efectiva de los agujeros negros en rotación, creemos que la simetría de calibre de espín superior será un componente crítico en su formulación, similar a cómo la simetría de calibre y la simetría de difeomorfismo guiaron la teoría teórica. marco de la física del siglo XX", afirmó Johansson. "La amplitud completa de la dispersión Compton de un agujero negro de Kerr sigue siendo enigmática, pero tenemos grandes esperanzas de poder limitarla por completo en el futuro. Esto implica comprenderla tanto para órdenes de giro arbitrarios como para órdenes superiores en la constante de Newton". /P>
Restringir completamente la amplitud de dispersión de los agujeros negros de Kerr requerirá en última instancia una estrecha colaboración entre los físicos teóricos que estudian partículas masivas de espín superior y aquellos que intentan resolver la llamada ecuación de Teukolsky, basada en la teoría de la relatividad general. Las colaboraciones recientes entre estas distintas comunidades de investigación sugieren que pronto se podrían lograr avances en esta dirección.
"En nuestros próximos trabajos también nos gustaría profundizar en la conexión entre los agujeros negros y sus propiedades cuánticas, que recuerdan a las partículas elementales", añadió Johansson.
Más información: Lucile Cangemi et al, Agujeros negros de Kerr a partir de una simetría masiva de calibre de giro superior, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.221401
Información de la revista: Cartas de revisión física
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