Gravitone

Si ipotizza che le interazioni gravitazionali siano mediate da una particella elementare non ancora scoperta, chiamata gravitone. Le altre tre forze conosciute della natura sono mediate da particelle elementari: l’elettromagnetismo dal fotone, l’interazione forte dai gluoni e l’interazione debole dai bosoni W e Z. Tutte e tre queste forze sembrano essere accuratamente descritte dal Modello Standard della fisica delle particelle. Nel limite classico, una teoria di successo dei gravitoni si ridurrebbe alla relatività generale, che a sua volta si riduce alla legge di gravitazione di Newton nel limite del campo debole.

Il termine gravitone fu originariamente coniato nel 1934 dai fisici sovietici Dmitrii Blokhintsev e F.M. Gal’perin.

Gravitoni e rinormalizzazioneModifica

Quando si descrivono le interazioni dei gravitoni, la teoria classica dei diagrammi di Feynman e le correzioni semiclassiche come i diagrammi a un anello si comportano normalmente. Tuttavia, i diagrammi di Feynman con almeno due loop portano a divergenze ultraviolette. Questi risultati infiniti non possono essere rimossi perché la relatività generale quantizzata non è perturbativamente rinormalizzabile, a differenza dell’elettrodinamica quantistica e di modelli come la teoria di Yang-Mills. Pertanto, si trovano risposte incalcolabili dal metodo della perturbazione con cui i fisici calcolano la probabilità di una particella di emettere o assorbire gravitoni, e la teoria perde veridicità predittiva. Questi problemi e il quadro di approssimazione complementare sono motivi per mostrare che una teoria più unificata della relatività generale quantizzata è necessaria per descrivere il comportamento vicino alla scala di Planck.

Confronto con le altre forzeModifica

Come i portatori di forza delle altre forze (vedi fotone, gluone), la gravitazione gioca un ruolo nella relatività generale, nel definire lo spaziotempo in cui gli eventi hanno luogo. In alcune descrizioni l’energia modifica la “forma” dello spaziotempo stesso, e la gravità è un risultato di questa forma, un’idea che a prima vista può sembrare difficile da abbinare all’idea di una forza che agisce tra particelle. Poiché l’invarianza del diffeomorfismo della teoria non permette di individuare un particolare sfondo spazio-temporale come il “vero” sfondo spazio-temporale, si dice che la relatività generale sia indipendente dallo sfondo. Al contrario, il Modello Standard non è indipendente dallo sfondo, con lo spazio Minkowski che gode di uno status speciale come sfondo spazio-temporale fisso. Una teoria della gravità quantistica è necessaria per conciliare queste differenze. Se questa teoria debba essere indipendente dallo sfondo è una questione aperta. La risposta a questa domanda determinerà la nostra comprensione del ruolo specifico che la gravitazione gioca nel destino dell’universo.

Gravitoni nelle teorie speculativeModifica

La teoria delle stringhe prevede l’esistenza dei gravitoni e delle loro interazioni ben definite. Un gravitone nella teoria perturbativa delle stringhe è una stringa chiusa in uno stato vibrazionale di bassa energia molto particolare. Lo scattering dei gravitoni nella teoria delle stringhe può anche essere calcolato dalle funzioni di correlazione nella teoria dei campi conformi, come dettato dalla corrispondenza AdS/CFT, o dalla teoria delle matrici.

Una caratteristica dei gravitoni nella teoria delle stringhe è che, come stringhe chiuse senza punti finali, non sarebbero legati alle brane e potrebbero muoversi liberamente tra esse. Se viviamo su una brana (come ipotizzato dalle teorie delle brane), questa “perdita” di gravitoni dalla brana nello spazio a dimensioni superiori potrebbe spiegare perché la gravitazione è una forza così debole, e i gravitoni da altre brane adiacenti alla nostra potrebbero fornire una potenziale spiegazione per la materia oscura. Tuttavia, se i gravitoni dovessero muoversi completamente liberamente tra le brane, questo diluirebbe troppo la gravità, causando una violazione della legge dell’inverso del quadrato di Newton. Per combattere questo, Lisa Randall ha scoperto che una tre-brane (come la nostra) avrebbe una propria attrazione gravitazionale, impedendo ai gravitoni di andare alla deriva liberamente, possibilmente con la conseguente gravità diluita che osserviamo, pur mantenendo approssimativamente la legge dell’inverso quadrato di Newton. Vedi cosmologia delle brane.

Una teoria di Ahmed Farag Ali e Saurya Das aggiunge correzioni meccaniche quantistiche (usando le traiettorie di Bohm) alle geodetiche relativistiche generali. Se ai gravitoni viene data una massa piccola ma non nulla, si potrebbe spiegare la costante cosmologica senza bisogno di energia oscura e risolvere il problema della piccolezza. La teoria ha ricevuto una menzione d’onore nel 2014 Essay Competition della Gravity Research Foundation per spiegare la piccolezza della costante cosmologica. Inoltre la teoria ha ricevuto una Menzione d’Onore nella 2015 Essay Competition della Gravity Research Foundation per aver spiegato in modo naturale l’omogeneità e l’isotropia dell’universo su larga scala, grazie alle correzioni quantistiche proposte.