Gravitón

En las teorías de la gravedad cuántica, el gravitón es el cuanto de gravedad hipotético, una partícula elemental que media la fuerza de interacción gravitatoria. No existe una teoría cuántica de campo completa de los gravitones debido a un problema matemático pendiente con la renormalización en la relatividad general. En la teoría de cuerdas, que algunos creen que es una teoría consistente de la gravedad cuántica, el gravitón es un estado sin masa de una cuerda fundamental.

Si existe, se espera que el gravitón no tenga masa porque la fuerza gravitacional tiene un rango muy largo y parece propagarse a la velocidad de la luz. El gravitón debe ser un bosón de espín 2 porque la fuente de la gravitación es el tensor de tensión-energía, un tensor de segundo orden (en comparación con el fotón de espín 1 del electromagnetismo, cuya fuente es la corriente de cuatro, un tensor de primer orden). Además, se puede demostrar que cualquier campo de espín 2 sin masa daría lugar a una fuerza indistinguible de la gravitación, porque un campo de espín 2 sin masa se acoplaría al tensor de tensión-energía de la misma manera que lo hacen las interacciones gravitatorias. Este resultado sugiere que, si se descubre una partícula de espín 2 sin masa, debe ser el gravitón.

Teoría

Se plantea la hipótesis de que las interacciones gravitatorias están mediadas por una partícula elemental aún no descubierta, denominada gravitón. Las otras tres fuerzas conocidas de la naturaleza están mediadas por partículas elementales: el electromagnetismo por el fotón, la interacción fuerte por los gluones y la interacción débil por los bosones W y Z. Estas tres fuerzas parecen estar descritas con precisión por el modelo estándar de física de partículas. En el límite clásico, una teoría exitosa de los gravitones se reduciría a la relatividad general, que a su vez se reduce a la ley de gravitación de Newton en el límite del campo débil.

Historia

El término gravitón fue acuñado originalmente en 1934 por los físicos soviéticos Dmitrii Blokhintsev [ru; de] y F.M. Gal'perin. Pierre-Simon Laplace anticipó una mediación de la interacción gravitatoria por partículas. Al igual que la anticipación de los fotones de Newton, los 'gravitones' anticipados por Laplace. tenían una velocidad mayor que c, la velocidad de los gravitones esperada en las teorías modernas, y no estaban conectados con la mecánica cuántica o la relatividad especial, ya que estas teorías aún no existían durante la vida de Laplace.

Gravitones y renormalización

Al describir las interacciones de los gravitones, la teoría clásica de los diagramas de Feynman y las correcciones semiclásicas, como los diagramas de bucle único, se comportan normalmente. Sin embargo, los diagramas de Feynman con al menos dos bucles conducen a divergencias ultravioleta. Estos resultados infinitos no se pueden eliminar porque la relatividad general cuantizada no se puede renormalizar perturbativamente, a diferencia de la electrodinámica cuántica y modelos como la teoría de Yang-Mills. Por lo tanto, se encuentran respuestas incalculables a partir del método de perturbación por el cual los físicos calculan la probabilidad de que una partícula emita o absorba gravitones, y la teoría pierde veracidad predictiva. Esos problemas y el marco de aproximación complementario son fundamentos para mostrar que se requiere una teoría más unificada que la relatividad general cuantificada para describir el comportamiento cerca de la escala de Planck.

Comparación con otras fuerzas

Al igual que los portadores de fuerza de las otras fuerzas (ver fotón, gluón), la gravitación juega un papel en la relatividad general, al definir el espacio-tiempo en el que tienen lugar los eventos. En algunas descripciones, la energía modifica la "forma" del propio espacio-tiempo, y la gravedad es el resultado de esta forma, una idea que a primera vista puede parecer difícil de igualar con la idea de una fuerza que actúa entre partículas. Debido a que la invariancia del difeomorfismo de la teoría no permite que ningún fondo de espacio-tiempo en particular sea señalado como el "verdadero"; fondo del espacio-tiempo, se dice que la relatividad general es independiente del fondo. Por el contrario, el modelo estándar no es independiente del fondo, y el espacio de Minkowski disfruta de un estatus especial como espacio-tiempo de fondo fijo. Se necesita una teoría de la gravedad cuántica para reconciliar estas diferencias. Si esta teoría debe ser independiente del fondo es una pregunta abierta. La respuesta a esta pregunta determinará nuestra comprensión del papel específico que juega la gravitación en el destino del universo.

Gravitones en teorías especulativas

La teoría de cuerdas predice la existencia de gravitones y sus interacciones bien definidas. Un gravitón en la teoría de cuerdas perturbativa es una cuerda cerrada en un estado vibracional de baja energía muy particular. La dispersión de gravitones en la teoría de cuerdas también se puede calcular a partir de las funciones de correlación en la teoría de campos conformes, como dicta la correspondencia AdS/CFT, o a partir de la teoría de matrices.

Una característica de los gravitones en la teoría de cuerdas es que, como cuerdas cerradas sin extremos, no estarían ligados a las branas y podrían moverse libremente entre ellas. Si vivimos en una brana (como plantean las hipótesis de las teorías de brana), esta "fuga" de gravitones de la brana al espacio de dimensiones superiores podría explicar por qué la gravitación es una fuerza tan débil, y los gravitones de otras branas adyacentes a la nuestra podrían proporcionar una explicación potencial para la materia oscura. Sin embargo, si los gravitones se movieran completamente libremente entre las branas, esto diluiría demasiado la gravedad, provocando una violación de la ley del cuadrado inverso de Newton. Para combatir esto, Lisa Randall descubrió que una triple brana (como la nuestra) tendría una atracción gravitatoria propia, lo que evitaría que los gravitones se desplacen libremente, lo que posiblemente resulte en la gravedad diluida que observamos, mientras se mantiene aproximadamente la inversa de Newton. ley cuadrada. Ver cosmología de branas.

Una teoría de Ahmed Farag Ali y Saurya Das agrega correcciones mecánicas cuánticas (usando trayectorias de Bohm) a las geodésicas relativistas generales. Si a los gravitones se les da una masa pequeña pero distinta de cero, podría explicar la constante cosmológica sin necesidad de energía oscura y resolver el problema de la pequeñez. La teoría recibió una Mención de Honor en el Concurso de Ensayos de 2014 de la Gravity Research Foundation for explicando la pequeñez de la constante cosmológica. Además, la teoría recibió una mención de honor en el concurso de ensayos de 2015 de la Gravity Research Foundation por explicar de forma natural la homogeneidad e isotropía observadas a gran escala del universo debido a las correcciones cuánticas propuestas.

Energía y longitud de onda

Aunque se supone que los gravitones no tienen masa, aún transportarían energía, como cualquier otra partícula cuántica. La energía fotónica y la energía gluónica también son transportadas por partículas sin masa. No está claro qué variables podrían determinar la energía del gravitón, la cantidad de energía transportada por un solo gravitón.

Alternativamente, si los gravitones son masivos, el análisis de las ondas gravitacionales arrojó un nuevo límite superior para la masa de los gravitones. La longitud de onda Compton del gravitón es al menos 1.6×10¹⁶ m, o alrededor de 1,6 años luz, correspondiente a una masa de gravitón de no más de 7.7×10 ⁻²³ eV/c². Esta relación entre longitud de onda y masa-energía se calcula con la relación de Planck-Einstein, la misma fórmula que relaciona la longitud de onda electromagnética con la energía fotónica. Sin embargo, si los gravitones son los cuantos de las ondas gravitacionales, entonces la relación entre la longitud de onda y la energía de la partícula correspondiente es fundamentalmente diferente para los gravitones que para los fotones, ya que la longitud de onda Compton del gravitón no es igual a la longitud de onda de la onda gravitatoria. En cambio, la longitud de onda Compton del gravitón de límite inferior es aproximadamente 9×10⁹ veces mayor que la longitud de onda gravitacional del evento GW170104, que fue de ~ 1700 km. El informe no dio más detalles sobre la fuente de esta proporción. Es posible que los gravitones no sean los cuantos de las ondas gravitacionales, o que los dos fenómenos estén relacionados de forma diferente.

Observación experimental

La detección inequívoca de gravitones individuales, aunque no está prohibida por ninguna ley fundamental, es imposible con cualquier detector físicamente razonable. La razón es la sección transversal extremadamente baja para la interacción de los gravitones con la materia. Por ejemplo, se esperaría que un detector con la masa de Júpiter y una eficiencia del 100%, colocado en una órbita cercana alrededor de una estrella de neutrones, observe un gravitón cada 10 años, incluso en las condiciones más favorables. Sería imposible discriminar estos eventos del fondo de los neutrinos, ya que las dimensiones del escudo de neutrinos requerido asegurarían el colapso en un agujero negro.

Las colaboraciones de LIGO y Virgo' las observaciones han detectado directamente ondas gravitacionales. Otros han postulado que la dispersión de gravitones produce ondas gravitacionales a medida que las interacciones de partículas producen estados coherentes. Aunque estos experimentos no pueden detectar gravitones individuales, podrían proporcionar información sobre ciertas propiedades del gravitón. Por ejemplo, si se observara que las ondas gravitacionales se propagan más lentamente que c (la velocidad de la luz en el vacío), eso implicaría que el gravitón tiene masa (sin embargo, las ondas gravitacionales deben propagarse más lentamente que c en una región con densidad de masa distinta de cero si se van a detectar). Las observaciones recientes de ondas gravitacionales han puesto un límite superior de 1.2×10⁻²² eV/c² en el gravitón's masa. Las observaciones astronómicas de la cinemática de las galaxias, especialmente el problema de la rotación de galaxias y la dinámica newtoniana modificada, podrían apuntar hacia gravitones con masa distinta de cero.

Dificultades y asuntos pendientes

La mayoría de las teorías que contienen gravitones sufren graves problemas. Los intentos de ampliar el modelo estándar u otras teorías cuánticas de campos mediante la adición de gravitones se topan con serias dificultades teóricas a energías cercanas o superiores a la escala de Planck. Esto se debe a los infinitos que surgen debido a los efectos cuánticos; técnicamente, la gravitación no es renormalizable. Dado que la relatividad general clásica y la mecánica cuántica parecen ser incompatibles a tales energías, desde un punto de vista teórico, esta situación no es sostenible. Una posible solución es reemplazar las partículas con hilos. Las teorías de cuerdas son teorías cuánticas de la gravedad en el sentido de que se reducen a la relatividad general clásica más la teoría de campos a bajas energías, pero son completamente mecánicas cuánticas, contienen un gravitón y se cree que son matemáticamente consistentes.