Probing the quantum nature of gravity at all scales

Opis projektu

Kwantowa grawitacja w różnych skalach pomoże zrozumieć ciemnej materii

Porównanie różnych teorii grawitacji kwantowej z danymi eksperymentalnymi jest kluczowe dla odkrycia kwantowej struktury czasoprzestrzeni. Jednak testowanie tych teorii jest trudne, ponieważ odpowiednie efekty występują na długości Plancka, co dalece wykracza poza obecne możliwości eksperymentalne. Projekt ProbeQG finansowany przez ERBN zajmie się badaniami grawitacji kwantowej w wielu skalach, łącząc wiedzę z zakresu fizyki cząstek elementarnych, czarnych dziur i kosmologii. Przekładając przewidywania w skali Plancka na sprawdzalne zjawiska w ramach Modelu Standardowego i badań nad ciemną materią, projekt opracuje innowacyjne podejścia. Wykorzysta również spin czarnej dziury do wykrywania efektów w skali horyzontu i zbadania potencjalnych powiązań między ciemną energią a przyspieszoną ekspansją Wszechświata. Ogólnie rzecz biorąc, zaoferuje świeże spojrzenie na fundamentalne kwestie w fizyce.

Cel

To understand the quantum structure of spacetime, we must confront proposed theories of quantum gravity with experimental data. This is a challenge, because quantum-gravity effects are generally assumed to manifest at the Planck length, which lies far beyond current experimental reach.
I challenge this assumption by probing quantum gravity at different scales. To achieve this, I propose to use lever arms that translate predictions of quantum gravity at the Planck scale into predictions at larger distances, where we can compare them to experimental data. I have identified such lever arms in particle physics, black holes and cosmology. The proposals first testing ground for quantum gravity is particle physics, where the scale dependence of couplings is a lever arm that translates Planck-scale predictions into testable predictions at larger distances. Using this lever arm, I will predict the values of couplings in the Standard Model and models of dark matter. The second testing ground is black holes, where the spin can act as a lever arm that translates Planckian physics into horizon-scale effects. To use this lever arm, I will derive spinning black-hole spacetimes and explore their image features. The third testing ground is late-time cosmology, where the dark energy is a lever arm that translates a microscopic interplay of scalar fields with gravity into an accelerated expansion of the universe. To use this lever arm, I will predict the properties of dark energy.
The proposals main objective to confront quantum gravity theory with observational data will thus be achieved by forging new connections between quantum gravity and other research fields. These novel connections also provide a fresh perspective on long-standing questions in these other fields, for example on the nature of dark matter and dark energy.
To demonstrate the power of these lever arms, I will work in the framework of asymptotic safety, a compelling framework for a quantum theory of gravity.