冰山一角：IceCube 大楼坐落在用于探测Neutrino的一平方公里的冰上。 （由克里斯托弗·米歇尔/CC BY-SA 4.0 提供）
对大气Neutrino味道成分的新观察没有揭示出某些量子引力理论所预测的微小、短命黑洞存在的确凿证据。 这项研究是由研究人员利用南极冰立方Neutrino观测站完成的，其结果对量子引力的性质提出了一些最严格的限制。
发展可行的量子引力理论是物理学中最大的挑战之一。 今天，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论很好地描述了引力，但它与量子理论不相容。 一个重要的区别是，广义相对论利用时空曲率来解释引力，而量子理论则基于平坦的时空。
找到前进的道路具有挑战性，因为这两种理论在非常不同的能量尺度上工作，这使得测试量子引力理论的实验变得非常困难。
“创意测量”
“近年来，人们设计了创造性的测量来寻找量子引力的微小影响：要么通过在实验室实验中使用极高的精度，要么通过探索遥远Cosmos中产生的高能粒子，”托马斯·斯塔塔德解释说。哥本哈根大学是 IceCube 合作组织的成员。
这些新理论中的一个观点是，不确定性的量子效应与空间真空中的能量涨落相结合，可能对时空曲率产生切实的影响，正如广义相对论所描述的那样。 这可能会导致“虚拟黑洞”的产生。 如果它们存在，这些微观物体将以普朗克时间的数量级衰变。 这大约是 10−44 s，是当前物理理论可以描述的最小时间间隔。
因此，在实验室中不可能检测到虚拟黑洞。 但是，如果它们真的存在，研究人员预测它们应该与Neutrino相互作用，通过Neutrino振荡现象改变粒子改变味道状态的方式。
立方公里冰
研究小组在位于南极的冰立方Neutrino观测站收集的数据中寻找这些相互作用的证据。 作为世界上最大的Neutrino观测站，IceCube 由数千个分布在南极冰层中的传感器组成。
这些传感器检测到Neutrino与冰相互作用时产生的带电轻子产生的独特闪光。 在这项最新研究中，研究小组重点关注冰立方对Cosmos射线与地球大气相互作用时产生的高能Neutrino的探测。
斯图塔德解释说，他们的搜索并不是第一次。 “然而，这一次，我们能够探索这些‘大气’Neutrino（而不是地球上的Neutrino源，如粒子加速器或核反应堆）的天然高能量和大传播距离，以及巨大的Neutrino提供的高统计数据。探测器尺寸。 这使我们能够寻找远弱于之前任何研究所能探测到的影响。”
风味成分
在他们的研究中，研究小组检查了 IceCube 在 8 年时间内观察到的超过 300,000 个Neutrino的味道成分。 然后，他们将这一结果与他们预期发现的成分进行了比较，如果Neutrino确实在穿过大气层的旅程中与虚拟黑洞发生了相互作用。
即使 IceCube 提供了极高的灵敏度，结果与当前Neutrino振荡模型预测的风味成分没有任何不同。 目前，这意味着虚拟黑洞理论仍然没有任何确凿的证据。
然而，这一无效结果确实允许研究小组对黑洞-Neutrino相互作用的最大可能强度设置新的限制，这比之前研究中设定的限制严格几个数量级。
斯图塔德说：“除了量子引力之外，这一结果还表明，即使Neutrino能量超过任何人造对撞机，即使在行驶了数千公里之后，Neutrino似乎仍然真正不受其环境的干扰。” “这是量子力学在真正宏观距离上的一次非凡展示。”
更广泛地说，该团队的发现对整个量子引力理论提出了新的限制，而这些限制目前很少见。 “虽然这项工作拒绝了某些场景，但量子引力作为一个概念当然不被排除，”斯图塔德补充道。 “量子引力的真实本质可能与这项研究中的假设不同，或者其影响可能比之前想象的更弱或更强烈地被能量抑制。”
这项研究在《自然物理学》上有描述。
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