Gravitone

Il gravitone è l’ipotetica particella elementare che media l’interazione gravitazionale nelle teorie di gravità quantistica.

In linea di principio, il gravitone lo stesso ruolo che il fotone svolge per l’elettromagnetismo.

Nel Modello Standard della fisica delle particelle:

• l’interazione elettromagnetica è mediata dal fotone
• l’interazione debole dai bosoni W e Z
• l’interazione forte dai gluoni

La gravità resta invece descritta, a livello macroscopico, dalla relatività generale di Albert Einstein, una teoria classica che non è quantizzata.

Il gravitone nasce proprio dal tentativo di quantizzare la gravità, cioè di descriverla con gli stessi strumenti delle altre interazioni. Rappresenta un eventuale punto di contatto tra la relatività generale e la meccanica quantistica.

Se venisse trovato, si farebbe un passo decisivo verso una teoria unificata delle interazioni fondamentali.

Tuttavia, a differenza degli altri mediatori delle interazioni fondamentali, il gravitone non è mai stato osservato sperimentalmente. Quindi, resta solo un'ipotesi teorica.

Proprietà fisiche teorizzate del gravitone

Il gravitone dovrebbe avere queste caratteristiche:

• Spin 2
  Il gravitone deve avere spin 2. La ragione è strutturale: la sorgente della gravità non è una corrente vettoriale (come nell’elettromagnetismo), ma il tensore energia-impulso, che è un oggetto matematico di secondo ordine. In altre parole: una forza che “vede” energia, massa, pressione e flussi richiede un mediatore più complesso di un bosone di spin-1.
• Senza massa
  Il gravitone è previsto privo di massa. Questa ipotesi deriva da due indizi. Il primo indizio è che la gravità ha raggio d’azione infinito, il secondo è che le onde gravitazionali si propagano alla velocità della luce. Poiché solo le particelle prive di massa (come i fotoni) possono raggiungere la velocità della luce, si deduce che anche il gravitone dovrebbe essere una particella senza massa.

  Nota. Il gravitone potrebbe anche avere una massa minima. Le osservazioni sperimentali pongono comunque un limite superiore alla sua massa: \[ m_g \lesssim 1{,}76 \times  \ 10^{-23} \text{eV}/c^2 \] Questo valore è compatibile, entro gli errori sperimentali, con una massa nulla. L'eventuale massa del gravitone potrebbe spiegare anche il moto delle galassie senza ricorrere alla materia oscura.

• Carica e stabilità
  Il gravitone non ha carica elettrica, non ha carica di colore ed è stabile. In questo senso è una particella “neutra” sotto tutte le interazioni del Modello Standard.

Origine storica del concetto

Già nel XIX secolo Pierre-Simon Laplace aveva ipotizzato una propagazione finita della gravità tramite entità intermedie, sebbene in un contesto puramente classico.

Con la teoria dei quanti si cominciò a pensare al gravitone come al quanto elementare della gravità. Quindi, la forza che ci tiene ancorati al suolo sarebbe, a livello infinitesimo, il risultato di uno scambio continuo di questi quanti. Del resto, se la luce è un flusso di fotoni, un’onda gravitazionale potrebbe essere un insieme coerente di gravitoni.

Una prima idea di una radiazione gravitazionale quantizzata compare nel 1916 nei lavori di Einstein.

Il termine gravitone viene introdotto nel 1934 da Dmitry Blokhintsev e Fyodor Galperin e successivamente ripreso da Paul Dirac nel 1959.

Tuttavia, il gravitone presenta alcuni problemi teorici ancora irrisolti

• La non rinormalizzabilità
  Quando si tenta di quantizzare direttamente la relatività generale, emergono divergenze ultraviolette che non possono essere eliminate tramite rinormalizzazione. La teoria perde capacità predittiva alla scala di Planck e i calcoli diventano incontrollabili- Questo è il principale ostacolo alla costruzione di una teoria quantistica coerente del gravitone.
• Il ruolo della teoria delle stringhe
  Nella teoria delle stringhe, le particelle non sono punti ma stringhe unidimensionali. In questo quadro il gravitone emerge naturalmente, è uno stato di vibrazione senza massa della stringa. Tuttavia, la teoria delle strighe sta vivendo un periodo di crisi perché, pur essendo una costruzione matematica brillante, non è stata confermata sperimentalmente.
• E' quasi impossibile osservare un gravitone
  Rilevare un gravitone è molto difficile perché l’interazione gravitazionale è estremamente debole a livello microscopico. La sezione d’urto tra gravitoni e materia è così piccola che un rivelatore con massa pari a quella di Giove, posto vicino a una stella di neutroni (una delle più grandi fonti di gravità) registrerebbe circa un gravitone ogni 10 anni. Esperimenti come LIGO e Virgo rilevano le onde gravitazionali classiche, non i singoli quanti che le compongono.

Malgrado se ne parli da circa un secolo, oggi il gravitone resta un'ipotesi non verificata sperimentalmente. La sua esistenza è ancora da provare.

E così via.