Graviton

Il est supposé que les interactions gravitationnelles sont médiées par une particule élémentaire non encore découverte, surnommée le graviton. Les trois autres forces connues de la nature sont médiées par des particules élémentaires : l’électromagnétisme par le photon, l’interaction forte par les gluons, et l’interaction faible par les bosons W et Z. Ces trois forces semblent être décrites avec précision par le modèle standard de la physique des particules. Dans la limite classique, une théorie réussie des gravitons se réduirait à la relativité générale, qui elle-même se réduit à la loi de la gravitation de Newton dans la limite du champ faible.

Le terme graviton a été initialement inventé en 1934 par les physiciens soviétiques Dmitrii Blokhintsev et F.M. Gal’perin.

Gravitons et renormalisationEdit

Lorsqu’on décrit les interactions des gravitons, la théorie classique des diagrammes de Feynman et les corrections semi-classiques telles que les diagrammes à une boucle se comportent normalement. Cependant, les diagrammes de Feynman avec au moins deux boucles conduisent à des divergences ultraviolettes. Ces résultats infinis ne peuvent être supprimés car la relativité générale quantifiée n’est pas renormalisable par perturbation, contrairement à l’électrodynamique quantique et aux modèles tels que la théorie de Yang-Mills. Par conséquent, des réponses incalculables sont trouvées à partir de la méthode de perturbation par laquelle les physiciens calculent la probabilité qu’une particule émette ou absorbe des gravitons, et la théorie perd de sa véracité prédictive. Ces problèmes et le cadre d’approximation complémentaire sont des motifs pour montrer qu’une théorie plus unifiée que la relativité générale quantifiée est nécessaire pour décrire le comportement près de l’échelle de Planck.

Comparaison avec les autres forcesModification

Comme les porteurs de force des autres forces (voir photon, gluon), la gravitation joue un rôle dans la relativité générale, en définissant l’espace-temps dans lequel les événements ont lieu. Dans certaines descriptions, l’énergie modifie la « forme » de l’espace-temps lui-même, et la gravitation est le résultat de cette forme, une idée qui, à première vue, peut sembler difficile à concilier avec l’idée d’une force agissant entre des particules. Parce que l’invariance du difféomorphisme de la théorie ne permet pas de désigner un arrière-plan spatio-temporel particulier comme le « véritable » arrière-plan spatio-temporel, on dit que la relativité générale est indépendante de l’arrière-plan. En revanche, le modèle standard n’est pas indépendant de l’arrière-plan, l’espace de Minkowski jouissant d’un statut spécial en tant qu’espace-temps d’arrière-plan fixe. Une théorie de la gravité quantique est nécessaire pour concilier ces différences. La question de savoir si cette théorie doit être indépendante de l’arrière-plan reste ouverte. La réponse à cette question déterminera notre compréhension du rôle spécifique que joue la gravitation dans le destin de l’univers.

Les gravitons dans les théories spéculativesEdit

La théorie des cordes prédit l’existence des gravitons et de leurs interactions bien définies. Un graviton dans la théorie perturbative des cordes est une corde fermée dans un état vibrationnel de basse énergie très particulier. La diffusion des gravitons dans la théorie des cordes peut également être calculée à partir des fonctions de corrélation dans la théorie des champs conformes, comme le dicte la correspondance AdS/CFT, ou à partir de la théorie des matrices.

Une caractéristique des gravitons dans la théorie des cordes est que, en tant que cordes fermées sans extrémités, ils ne seraient pas liés aux branes et pourraient se déplacer librement entre elles. Si nous vivons sur une brane (comme le supposent les théories des branes), cette « fuite » de gravitons de la brane vers un espace de dimension supérieure pourrait expliquer pourquoi la gravitation est une force si faible, et les gravitons d’autres branes adjacentes à la nôtre pourraient fournir une explication potentielle de la matière noire. Toutefois, si les gravitons devaient se déplacer librement entre les branes, la gravité serait trop diluée, ce qui entraînerait une violation de la loi de l’inverse du carré de Newton. Pour lutter contre cela, Lisa Randall a découvert qu’une trois-branes (comme la nôtre) aurait une attraction gravitationnelle propre, empêchant les gravitons de dériver librement, ce qui pourrait entraîner la dilution de la gravité que nous observons, tout en maintenant à peu près la loi du carré inverse de Newton. Voir la cosmologie des branes.

Une théorie d’Ahmed Farag Ali et de Saurya Das ajoute des corrections de mécanique quantique (en utilisant des trajectoires de Bohm) aux géodésiques relativistes générales. Si l’on donne aux gravitons une masse faible mais non nulle, cela pourrait expliquer la constante cosmologique sans avoir besoin d’énergie sombre et résoudre le problème de la petitesse. La théorie a reçu une mention honorable au concours d’essais 2014 de la Gravity Research Foundation pour avoir expliqué la petitesse de la constante cosmologique. La théorie a également reçu une mention honorable dans le concours d’essai 2015 de la Gravity Research Foundation pour expliquer naturellement l’homogénéité et l’isotropie à grande échelle observées de l’univers en raison des corrections quantiques proposées.