Gravitón

En las teorías de la gravedad cuántica , el gravitón es el cuanto hipotético de gravedad , una partícula elemental que media la fuerza de interacción gravitatoria. No existe una teoría cuántica de campos completa de los gravitones debido a un problema matemático pendiente con la renormalización en la relatividad general . En la teoría de cuerdas , que algunos consideran 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 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 gravitación es el tensor de tensión-energía , un tensor de segundo orden (comparado 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 gravitacionales. Este resultado sugiere que, si se descubre una partícula de espín 2 sin masa, debe ser el gravitón. ^[5]

Se ha planteado la hipótesis de que las interacciones gravitacionales están mediadas por una partícula elemental aún no descubierta, llamada 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. 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 del campo débil. ^{[6] [7] [8]}

Albert Einstein discutió la radiación gravitacional cuantizada en 1916, el año siguiente a su publicación de la relatividad general . ^{[9] : 525} El término gravitón fue acuñado en 1934 por los físicos soviéticos Dmitry Blokhintsev y Fyodor Galperin  [ru] . ^{[3] [9]} Paul Dirac reintrodujo el término en varias conferencias en 1959, señalando que la energía del campo gravitacional debería venir en cuantos. ^{[10] [11]} Pierre-Simon Laplace anticipó una mediación de la interacción gravitacional por partículas . ^[12] Al igual que la anticipación de los fotones de Newton , los "gravitones" anticipados de Laplace tenían una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el vacío , 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.${\estilo de visualización c}$

Al describir las interacciones de los gravitones, la teoría clásica de los diagramas de Feynman y las correcciones semiclásicas como los diagramas de un bucle se comportan normalmente. Sin embargo, los diagramas de Feynman con al menos dos bucles conducen a divergencias ultravioletas . ^[13] Estos resultados infinitos no se pueden eliminar porque la relatividad general cuantificada no es renormalizable 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 que 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 motivos para demostrar que se requiere una teoría más unificada que la relatividad general cuantificada para describir el comportamiento cerca de la escala de Planck .

Al igual que los portadores de fuerza de las otras fuerzas (ver fotón , gluón , bosones W y Z ), el gravitón 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 espacio-tiempo en sí, y la gravedad es un resultado de esta forma, una idea que a primera vista puede parecer difícil de hacer coincidir con la idea de una fuerza que actúa entre partículas. ^[14] Debido a que la invariancia del difeomorfismo de la teoría no permite que se señale ningún fondo de espacio-tiempo particular como el fondo de espacio-tiempo "verdadero", 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 el espacio-tiempo de fondo fijo. ^[15] Se necesita una teoría de la gravedad cuántica para reconciliar estas diferencias. ^[16] Si esta teoría debería ser independiente del fondo es una pregunta abierta. La respuesta a esta pregunta determinará la comprensión del papel específico que juega la gravitación en el destino del universo. ^[17]

Aunque se supone que los gravitones no tienen masa , igualmente transportarían energía , como cualquier otra partícula cuántica. La energía de los fotones y la energía de los gluones también son transportadas por partículas sin masa. No está claro qué variables podrían determinar la energía de los gravitones, 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 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 . ^[18] 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 .

Se ha pensado que la detección inequívoca de gravitones individuales, aunque no está prohibida por ninguna ley fundamental, es imposible con cualquier detector físicamente razonable. ^[19] La razón es la sección transversal extremadamente baja para la interacción de los gravitones con la materia. Por ejemplo, un detector con la masa de Júpiter y una eficiencia del 100%, colocado en órbita cercana alrededor de una estrella de neutrones , solo se esperaría que 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 . ^[19] Se ha propuesto que la detección de gravitones individuales sería posible mediante detección cuántica. ^[20] Incluso los eventos cuánticos pueden no indicar la cuantización de la radiación gravitacional. ^[21]

Las observaciones de las colaboraciones LIGO y Virgo han detectado directamente ondas gravitacionales. ^{[22] [23] [24]} Otros han postulado que la dispersión de gravitones produce ondas gravitacionales a medida que las interacciones de partículas producen estados coherentes . ^[25] Aunque estos experimentos no pueden detectar gravitones individuales, podrían proporcionar información sobre ciertas propiedades del gravitón. ^[26] 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 una densidad de masa distinta de cero para que sean detectables). ^[27] Las observaciones de ondas gravitacionales establecen un límite superior de1,76 × 10 ⁻²³  eV/ c ² sobre la masa del gravitón. ^[28] Las mediciones de la trayectoria planetaria del sistema solar realizadas por misiones espaciales como Cassini y MESSENGER dan un límite superior comparable de3,16 × 10 ⁻²³  eV/ c ² . ^[29] La onda gravitacional y las efemérides planetarias no tienen por qué coincidir: ponen a prueba diferentes aspectos de una teoría potencial basada en el gravitón. ^{[30] : 71}

Las observaciones astronómicas de la cinemática de las galaxias, especialmente el problema de rotación de las galaxias y la dinámica newtoniana modificada , podrían indicar que los gravitones tienen una masa distinta de cero. ^{[31] [32]}

La mayoría de las teorías que contienen gravitones sufren graves problemas. Los intentos de extender el Modelo Estándar u otras teorías cuánticas de campos añadiendo 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 por cuerdas . 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. ^[33]

Wikiversidad tiene recursos de aprendizaje sobre el gravitón.

• Graviton en In Our Time en la BBC