Gravitón

En las teorías de la gravedad cuántica , el gravitón es la partícula elemental hipotética que media la fuerza de interacción gravitatoria. Es un cuanto de energía de onda gravitatoria . ^{[ 5 ]} No existe una teoría cuántica de campos completa para los gravitones debido al problema matemático sin resolver de la renormalización en la relatividad general . Este problema se evita en la teoría de cuerdas , que considera al gravitón como un estado sin masa de una cuerda fundamental, pero dicha teoría no ha logrado avances suficientes.

Si existe, se espera que el gravitón sea sin masa, ya que la fuerza gravitatoria tiene un alcance 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 energía-impulso , un tensor de segundo orden (en comparación con el fotón de espín -1 del electromagnetismo , cuya fuente es la cuadricorriente , 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 energía-impulso 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. ^{[ 6 ]}

Se hipotetiza que una partícula elemental no descubierta, denominada gravitón , media las interacciones gravitacionales . 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. Las tres fuerzas parecen estar descritas con precisión por el Modelo Estándar de la 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 de campo débil. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

Albert Einstein habló sobre la radiación gravitacional cuantizada en 1916, un año después de la publicación de su teoría de la relatividad general . ^{[ 10 ] : 525} El término gravitón fue acuñado en 1934 por los físicos soviéticos Dmitry Blokhintsev y Fyodor Galperin . ^{[ 3 ] [ 10 ]} Paul Dirac reintrodujo el término en varias conferencias en 1959, señalando que la energía del campo gravitacional debería presentarse en cuantos. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Pierre-Simon Laplace anticipó la mediación de la interacción gravitacional por partículas . ^{[ 13 ]} Al igual que la anticipación de Newton de los fotones , los "gravitones" anticipados por Laplace tenían una velocidad mayor que la de la luz en el vacío.${\displaystyle c}$, la velocidad de los gravitones prevista en las teorías modernas, y no estaban relacionadas con la mecánica cuántica ni con la relatividad especial , ya que él precedió a estas teorías por un siglo.

Aunque se presume que los gravitones no tienen masa , aun así transportarían energía , al igual que cualquier otra partícula cuántica. ^{[ 15 ]} La energía de los fotones y la energía de los gluones también son transportadas por partículas sin masa.

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 menos1,6 × 10 ¹⁶ m  , o aproximadamente 1,6 años luz , lo que corresponde a una masa de gravitón de no más de7,7 × 10 ⁻²³ eV/ c ²  . ^{[ 16 ]} 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 del fotón .

La detección inequívoca de gravitones individuales, aunque no está prohibida por ninguna ley fundamental, se ha considerado imposible con cualquier detector físicamente razonable. ^{[ 17 ]} 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 órbita cercana alrededor de una estrella de neutrones , solo observara un gravitón cada 10 años, incluso en las condiciones más favorables. Sería imposible discriminar estos eventos del fondo de neutrinos , ya que las dimensiones del escudo de neutrinos requerido asegurarían el colapso en un agujero negro . ^{[ 17 ]} Se ha propuesto que la detección cuántica haría posible la detección de gravitones individuales. ^{[ 5 ]} Incluso los eventos cuánticos pueden no indicar la cuantización de la radiación gravitacional. ^{[ 18 ]}

Las observaciones de las colaboraciones LIGO y Virgo han detectado directamente ondas gravitacionales. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} Aunque estos experimentos no pueden detectar gravitones individuales, ^{[ 22 ]} 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 para que sean detectables). ^{[ 23 ]} Además, en presencia de una onda gravitacional, debería ser posible observar (a través de interferencias o efectos de batido después de una línea de retardo) firmas de emisión o absorción estimulada de gravitones con la tecnología actual. ^{[ 24 ]} Las observaciones de ondas gravitacionales establecen un límite superior de1,76 × 10 ⁻²³  eV/ c ² sobre la masa del gravitón. ^{[ 25 ]}

Las mediciones de la trayectoria planetaria del sistema solar realizadas por misiones espaciales como Cassini y MESSENGER proporcionan un límite superior comparable de3,16 × 10 ⁻²³  eV/ c ² . ^{[ 26 ]} La onda gravitacional y la efeméride planetaria no tienen por qué coincidir: ponen a prueba diferentes aspectos de una posible teoría basada en el gravitón. ^{[ 27 ] : 71}

Las observaciones astronómicas de la cinemática de las galaxias, especialmente el problema de la rotación galáctica y la dinámica newtoniana modificada , podrían indicar que los gravitones tienen masa distinta de cero. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

La mayoría de las teorías que incluyen gravitones presentan graves problemas. Los intentos de extender 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 . Los infinitos surgen debido a efectos cuánticos; técnicamente, la gravitación no puede renormalizarse . Dado que la relatividad general clásica y la mecánica cuántica parecen incompatibles a tales energías, esta situación resulta insostenible desde un punto de vista teórico.

Una posible solución es reemplazar las partículas por cuerdas . Las cuerdas son bucles unidimensionales que evitan divergencias al suavizar las interacciones gravitacionales. Una partícula identificada con el gravitón aparece en la teoría de cuerdas con interacciones de largo alcance descritas por la relatividad general. Desafortunadamente, solo se han desarrollado modelos basados ​​en cuerdas para unas pocas cuerdas con interacciones débiles. ^{[ 30 ]}

• Gravitón dual : partícula hipotética encontrada en la supergravedad. 
• Gravitino – Hipótesis supercompañero del gravitón 
• Gravitoelectromagnetismo : analogías entre las ecuaciones de campo de Maxwell y Einstein. 
• Unidades de Planck : unidades definidas únicamente por constantes físicas. 
• Vacío polarizable – Teoría de la gravedad 
• Teorema del gravitón blando – Teorema de física 
• Fuerzas estáticas e intercambio de partículas virtuales : interacción física en la física postclásica 

• Graviton en In Our Time en la BBC