La caccia ai gravitoni

Nel tentativo di sposare la gravità con la teoria dei quanti, i fisici hanno inventato una particella ipotetica, il gravitone, che si dice sia una particella senza massa che viaggia alla velocità della luce. Secondo i fisici, ci vorrà tempo prima che i gravitoni siano considerati parte del pantheon subatomico stabilito.

La teoria della relatività di Einstein descriveva la gravità come la distorsione dello spazio e del tempo, che si piegano e si estendono in base alle masse di oggetti all’interno di esse e sull’energia liberata dai fenomeni. Pochi anni dopo, tuttavia, acquisimmo la consapevolezza del confuso mondo della fisica quantistica, quando i fisici scoprirono l’esistenza di particelle molto piccole, che in seguito si scoprirono influenzare anche i più grandi e potenti fenomeni nell’universo. Ciò ha portato alla scoperta di particelle di portatori di forza, o bosoni, dietro tre delle forze fondamentali che governano l’universo: il campo elettromagnetico ha fotoni, la forza nucleare forte ha gluoni, e la forza debole è trasportata dai bosoni W e Z. Questo lascia uscire la gravità. I fisici ipotizzano che, se le altre tre forze fondamentali hanno una teoria quantistica corrispondente, ci deve essere anche una particella dietro la gravità.

Nel tentativo di sposare la gravità con la teoria dei quanti, i fisici hanno inventato una particella ipotetica: il gravitone. Il gravitone si dice che sia senza massa, stabile, spin-2 particella che viaggia alla velocità della luce. Il gravitone rimane ipotetico, tuttavia, perché al momento è impossibile da rilevare . Sebbene la gravità su scala planetaria sia forte, su piccola scala può essere molto debole. Tanto che quando una calamita attrae una graffetta, si attira contro la forza gravitazionale dell’intero pianeta, e vince ancora. Ciò significa che un singolo gravitone, se esiste, è molto, molto debole. Uno studio sostiene addirittura che è impossibile rilevare un singolo gravitone a meno che non li misuriamo in ampiezze di dimensioni planetarie, utilizzando un rilevatore di dimensioni dell’universo.

Teoria delle stringhe e caccia ai gravitoni

La teoria di Kaluza-Klein ipotizzò che la gravità potrebbe effettivamente sembrare debole solo da dove esistiamo perché in realtà ha la capacità di attraversare più di tre dimensioni contemporaneamente, e quindi si espande sottilmente. Questa idea, dopo decenni di essere ampiamente ignorata a causa di incoerenze matematiche, quando rivisitata e perfezionata alla fine portò a quella che è ora nota come teoria delle stringhe – attualmente il concorrente più promettente nello stabilire una teoria quantistica della gravità. È anche la nostra migliore speranza nell’unire la teoria dei quanti e la relatività generale, il più grande problema della fisica di oggi.

Nella teoria delle stringhe, i calcoli matematici indicano un universo con dieci dimensioni dello spazio e una dimensione temporale, ma le altre dimensioni spaziali sono troppo piccole per poter essere viste, anche con i microscopi. Diverse equipe di fisici oggi sono a caccia del gravitone ma, finora, tutte le speranze di intrappolare l’ipotetica particella ci hanno lasciato a  mani vuote . Ci sono molte cose sulla fisica quantistica che non comprendiamo e comprendiamo le particelle e le leggi che le governano possono aiutarci a esercitare i poteri che ipoteticamente possiedono i fenomeni quantistici. Dimostrare l’esistenza di una particella che aiuterebbe a dare un senso a tutto questo è un sogno, e rimane quello di adesso. Allo stato attuale, siamo lontani dal provare definitivamente che esiste. Come scrisse il fisico più anziano del Fermilab, Don Lincoln:

“I gravitoni sono un’idea teoricamente rispettabile, ma non sono provati. Quindi se senti qualcuno dire che ‘i gravitoni sono particelle che generano la forza gravitazionale’, tieni presente che questa è una dichiarazione ragionevole, ma in nessun caso è universalmente accettata. Passerà molto tempo prima che i gravitoni siano considerati parte del pantheon subatomico stabilito. “

Gravitoni

Si sente parlare molte volte di parole che terminano con “one” come protone, neutrone, gluone, fotone, bosone, fermione e così via. Una delle parole che potresti aver incontrato è il gravitone. Al momento, i gravitoni sono costrutti puramente teorici. Il fantastico successo della teoria quantistica per descrivere la  forza dell’elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli fornisce un notevole impulso per cercare di sposarlo alla quarta forza, la gravità. Allo stesso modo in cui il fotone è noto per essere la particella quantistica della forza elettromagnetica e il gluone è la particella quantistica della forza forte, il “gravitone” è il nome dato a un’ipotetica particella quantistica della forza gravitazionale.

Tuttavia, una teoria quantistica della gravità è stata finora elusiva. La teoria della relatività generale di Einstein è stata la descrizione di maggior successo della gravità, ma quando incontra il regno quantistico predice sciocchezze, con infiniti impossibili che spuntano durante i calcoli.  Sappiamo che la gravità ha un raggio infinito e può legare insieme galassie lontane. Ciò significa che il gravitone tradizionale ha massa zero. Inoltre, lo spazio vuoto non ha carica elettrica al suo interno, il che significa che il gravitone, che si propagherebbe attraverso lo spazio vuoto, deve essere elettricamente neutro. Un pensiero più sofisticato ci dice quale deve essere lo spin del gravitone. Mentre le particelle di materia del modello standard hanno spin 1/2 e le particelle che trasportano la forza del modello standard hanno uno spin di 1, i gravitoni devono avere uno spin di 2. (Ciò deriva dal fatto che la gravità è il frutto dalla distribuzione dell’energia e impulso nell’universo. Il formalismo matematico che descrive questo fenomeno è chiamato tensore. La gravità ha origine da un tensore di energia impulso di rango 2.)

Si può provare che qualsiasi particella di spin 2 deve agire esattamente come si prevede che un gravitone si comporti. Cioè se troviamo una particella di spin 2, sapremo che è un gravitone.  Questo comportamento spiega anche il fatto che la gravità convenzionale è solo attrattiva, a differenza dell’elettromagnetismo. Il fatto che la teoria delle superstringhe predica una particella spin 2 senza massa è una dei punti di forza della teoria in quanto preditiva e rimane un modo elegante per sposare la gravità col regno quantico. Inoltre, le teorie più recenti che prevedono ulteriori dimensioni spaziali possono predire gravitoni di spin-2 addirittura massivi. I gravitoni sono un’idea teoricamente rispettabile, ma non ancora da provare. Quindi sentir dire che “i gravitoni sono particelle che generano la forza gravitazionale”, tieni presente che questa è una dichiarazione ragionevole, ma non è affatto universalmente accettata.

The Graviton and Superstring Theory – World Science Festival

Alla ricerca di prove

Nel 1996, i fisici Andrew Strominger, poi all’Istituto di Fisica Teorica di Santa Barbara e Cumrun Vafa ad Harvard, simularono un buco nero con un’eccessiva quantità di disordine, o entropia. Un simile buco nero era stato simulato due decenni prima dai fisici Jacob Bekenstein e Stephen Hawking . A quel tempo, nessuno riusciva a capire perché un buco nero potesse ospitare così tanta entropia. Il buco nero teorico creato da Strominger e Vafa non è stato creato come i buchi neri convenzionali visti al centro di galassie come la Via Lattea . Invece, hanno fatto affidamento sulla teoria delle stringhe per simularlo, fornendo un collegamento tra la teoria complessa e la forza fondamentale di gravità che guida i buchi neri. Basando la sua fondazione sulla teoria delle stringhe invece delle particelle convenzionali, hanno dato più credibilità alla teoria potenzialmente unificante. Se la teoria delle stringhe è la teoria “definitiva” – la teoria di ogni cosa – è un forte contendente per spiegare il funzionamento interno dell’universo.

Osservazione sperimentale

La rilevazione univoca dei singoli gravitoni, non sebbene proibita da alcuna legge fondamentale, è impossibile con qualsiasi rilevatore fisicamente ragionevole. La ragione è l’interazione estremamente bassa dei gravitoni con la materia. Ad esempio, un rilevatore con la massa di Giove e un’efficienza del 100%, collocato in un’orbita vicina attorno a una stella di neutroni , dovrebbe osservare solo un gravitone ogni 10 anni, anche nelle condizioni più favorevoli. Sarebbe impossibile discriminare questi eventi dallo sfondo dei neutrini , dal momento che le dimensioni dello scudo neutrino richiesto garantirebbero il collasso in un buco nero. Le osservazioni delle collaborazioni LIGO e Virgo hanno rilevato direttamente le onde gravitazionali. Altri hanno postulato che lo scattering gravitazionale produce onde gravitazionali quando le interazioni tra particelle producono stati coerenti. Sebbene questi esperimenti non possano rilevare i singoli gravitoni, potrebbero fornire informazioni su certe proprietà del gravitone. Ad esempio, se si osservasse che le onde gravitazionali si propagano più lentamente di c (la velocità della luce nel vuoto), ciò implicherebbe che il gravitone abbia massa (tuttavia, le onde gravitazionali devono propagarsi più lentamente di c in una regione con densità di massa diversa da zero se devono essere rilevabili). Lerecenti osservazioni di onde gravitazionali hanno messo un limite superiore di 1,2 × 10 -22  eV / 2 alla massa del gravitone. Le osservazioni astronomiche della cinematica delle galassie, in particolare il problema di rotazione della galassia e la dinamica newtoniana modificata , potrebbero indicare i gravitoni con massa diversa da zero.

Difficoltà e problemi in sospeso

La maggior parte delle teorie che contengono gravitoni soffrono di gravi problemi. I tentativi di estendere il modello standard o altre teorie di campo quantistico aggiungendo gravitoni corrono in gravi difficoltà teoriche a energie vicine o superiori alla scala di Planck . Questo a causa degli infiniti che sorgono a causa degli effetti quantici; tecnicamente, la gravitazione non è rinormalizzabile . Poiché la relatività generale classica e la meccanica quantistica sembrano essere incompatibili con tali energie, da un punto di vista teorico, questa situazione non è sostenibile. Una possibile soluzione è sostituire le particelle con le stringhe. Le teorie delle stringhe sono teorie quantistiche della gravità nel senso che riducono alla relatività generale classica più la teoria del campo a basse energie, ma sono completamente meccaniche quantistiche, contengono un gravitone e sono ritenute matematicamente coerenti.

Un nuovo modo per rilevare il gravitone sfuggente

Nel documento “Uso della cosmologia per stabilire la quantizzazione della gravità”, pubblicato su Physical Review D (20 febbraio 2014), Lawrence Krauss, un cosmologo dell’Arizona State University, e Frank Wilczek, un fisico vincitore del premio Nobel con il MIT e ASU, hanno proposto che misurare i minuscoli cambiamenti nella radiazione cosmica di fondo dell’universo potrebbe essere un percorso per rilevare gli effetti rivelatori dei gravitoni. Krauss e Wilczek suggeriscono che l’esistenza dei gravitoni e la natura quantistica della gravità potrebbero essere dimostrati attraverso una caratteristica ancora da scoprire dell’universo primordiale.

“Questo può fornire, se Freeman Dyson ha ragione sul fatto che i rivelatori terrestri non possono rilevare gravitoni, l’unica verifica empirica diretta dell’esistenza dei gravitoni”, ha detto Krauss. “Inoltre, ciò che troviamo più notevole è che l’universo agisce come un rilevatore che è precisamente il tipo che è impossibile o poco pratico da costruire sulla Terra.”

Generalmente si ritiene che nella prima frazione di secondo dopo il Big Bang, l’universo abbia subito una crescita rapida e drammatica durante un periodo chiamato “inflazione”. Se i gravitoni esistono, sarebbero generati come “fluttuazioni quantistiche” durante l’inflazione. Alla fine, questi si evolverebbero, come l’universo si espanse, in onde gravitazionali classicamente osservabili, che allungano lo spazio-tempo lungo una direzione mentre la contraggono lungo l’altra direzione. Ciò influenzerebbe il modo in cui viene prodotta la radiazione elettromagnetica nella radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) lasciata dal Big Bang, provocandone la polarizzazione. I ricercatori che analizzano i risultati del satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea stanno cercando questa “impronta” dell’inflazione nella polarizzazione della CMB. Krauss ha detto che la sua e la pubblicazione di Wilczek combina ciò che è già noto con alcune nuove rughe.

“Mentre la consapevolezza che le onde gravitazionali sono prodotte dall’inflazione non è nuova, e il fatto che possiamo calcolare la loro intensità e che questo sfondo potrebbe essere misurato nelle future misurazioni di polarizzazione dello sfondo a microonde non è nuovo, un argomento esplicito che tale misurazione fornirà, in linea di principio, una conferma inequivocabile e diretta che il campo gravitazionale è quantizzato è nuovo “, ha detto. “In effetti, è forse l’unica verifica empirica di questo assunto molto importante che potremmo ottenere nel prossimo futuro.”

Usando uno strumento analitico standard chiamato analisi dimensionale, Wilczek e Krauss mostrano come la generazione di onde gravitazionali durante l’inflazione sia proporzionale al quadrato della costante di Planck, un fattore numerico che sorge solo nella teoria dei quanti. Ciò significa che il processo gravitazionale che determina la produzione di queste onde è un fenomeno intrinsecamente quantomeccanico. Ciò implica che trovare l’impronta digitale delle onde gravitazionali nella polarizzazione di CMB fornirà la prova che i gravitoni esistono, ed è solo una questione di tempo (e sensibilità dello strumento) a trovare la loro impronta.

“Sono lieto che l’analisi dimensionale, una tecnica semplice ma profonda le cui virtù predico agli studenti, fornisca una visione chiara e pulita in un argomento noto per la sua difficoltà e oscurità”, ha affermato Wilczek.

“È possibile che la prossima generazione di esperimenti, nel prossimo decennio o forse anche il satellite Planck, possa vedere questo sfondo”, ha aggiunto Krauss.

I due fisici suggerisce di utilizzare l’inflazione dei primi anni dell’universo come rivelatore di gravitoni. Lawrence Krauss e Frank Wilczek della Arizona State University e della Australian National University, rispettivamente, hanno caricato un documento sul server di preprint arXiv , nel quale propongono che potrebbe essere possibile stabilire la quantizzazione della gravità misurando la polarizzazione di Cosmic Microwave Background (CMB). Ciò che suggeriscono, fornirebbe un collegamento tra esso e le onde gravitazionali causate dall’inflazione nell’universo primordiale.

Riferimenti

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  8. Vedi gli altri articoli di relatività generale , campo gravitazionale , onde gravitazionali , ecc
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