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Este artículo trata sobre la partícula hipotética. Para otros usos, consulte Graviton (desambiguación) .
Graviton
ComposiciónPartícula elemental
EstadísticasEstadísticas de Bose-Einstein
InteraccionesGravitación
EstadoHipotético
SímboloG [1]
AntipartículaUno mismo
TeorizadoDécada de 1930 [2]
El nombre se atribuye a Dmitrii Blokhintsev y FM Gal'perin en 1934 [3]
Masa0
<6 × 10 −32  eV / c 2 [4]
Vida mediaEstable
Carga eléctrica0  e
Girar2

En las teorías de la gravedad cuántica , el gravitón es el hipotético cuanto de gravedad , una partícula elemental que media la fuerza de la gravedad. No existe una teoría cuántica completa de campos de gravitones debido a un problema matemático sobresaliente con la renormalización en la relatividad general . En la teoría de cuerdas , que se cree que es 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 es de muy largo alcance y parece propagarse a la velocidad de la luz. El gravitón debe ser un giro -2 Higgs porque la fuente de la gravitación es el tensor de tensión-energía , un segundo orden tensor (en comparación con el electromagnetismo 's spin-1 fotón , la fuente de los cuales es el de cuatro actual, 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]

Teoría [ editar ]

Se plantea la hipótesis de que las interacciones gravitacionales están mediadas por una partícula elemental aún no descubierta, denominada gravitón . Los otros tres conocidos fuerzas de la naturaleza están mediados por partículas elementales: electromagnetismo por el fotón , la fuerte interacción por gluones , y la débil interacción por los bosones W y Z . Las tres fuerzas parecen estar descritas con precisión por el modelo estándar de 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 aLey de gravitación de Newton en el límite de campo débil. [6] [7] [8]

El término gravitón fue acuñado originalmente en 1934 por los físicos soviéticos Dmitrii Blokhintsev y FM Gal'perin. [3]

Gravitones y renormalización [ editar ]

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 ultravioleta . [ cita requerida ] Estos resultados infinitos no pueden eliminarse 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 mediante el cual 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 mostrar que se requiere una teoría más unificada que la relatividad general cuantificada para describir el comportamiento cerca de la escala de Planck .

Comparación con otras fuerzas [ editar ]

Como los portadores de fuerza de las otras fuerzas (ver fotón , gluón ), la gravitación juega un papel en la relatividad general , en la definición del espacio-tiempo en el que ocurren los eventos. En algunas descripciones, la energía modifica la "forma" del propio espacio-tiempo , y la gravedad es el resultado de esta forma, una idea que a primera vista puede parecer difícil de igualar con la idea de una fuerza que actúa entre partículas. [9] Debido a que la invariancia de difeomorfismo de la teoría no permite que ningún trasfondo espacial-temporal en particular sea señalado como el trasfondo espacio-temporal "verdadero", se dice que la relatividad generalindependiente del fondo . En contraste, el Modelo Estándar no es independiente del fondo, con el espacio de Minkowski disfrutando de un estatus especial como el espacio-tiempo de fondo fijo. [10] Se necesita una teoría de la gravedad cuántica para reconciliar estas diferencias. [11] Si esta teoría debería ser independiente de los antecedentes es una cuestión abierta. La respuesta a esta pregunta determinará nuestra comprensión de qué papel específico juega la gravitación en el destino del universo. [12]

Gravitones en teorías especulativas [ editar ]

La teoría de cuerdas predice la existencia de gravitones y sus interacciones bien definidas . Un gravitón en la teoría de cuerdas perturbativas es una cuerda cerrada en un estado vibratorio de baja energía muy particular. La dispersión de gravitones en la teoría de cuerdas también se puede calcular a partir de las funciones de correlación en la teoría de campos conforme , según lo dictado por la correspondencia AdS / CFT , o de la teoría de matrices . [ cita requerida ]

Una característica de los gravitones en la teoría de cuerdas es que, como cuerdas cerradas sin puntos finales, no estarían unidas a las branas y podrían moverse libremente entre ellas. Si vivimos en una brana (según la hipótesis de las teorías de brana ), esta "fuga" de gravitones de la brana al espacio de dimensiones superiores podría explicar por qué la gravitación es una fuerza tan débil, y los gravitones de otras branas adyacentes a la nuestra explicación potencial de la materia oscura . Sin embargo, si los gravitones se movieran con total libertad entre las branas, esto diluiría demasiado la gravedad, lo que provocaría una violación de la ley del inverso del cuadrado de Newton. Para combatir esto, Lisa Randalldescubrió que una de tres branas (como la nuestra) tendría una atracción gravitacional propia, evitando que los gravitones se desviaran libremente, lo que posiblemente resulte en la gravedad diluida que observamos, mientras se mantiene aproximadamente la ley del cuadrado inverso de Newton. [13] Ver cosmología de brana .

Una teoría de Ahmed Farag Ali y Saurya Das agrega correcciones mecánicas cuánticas (usando trayectorias de Bohm) a las geodésicas relativistas generales. Si a los gravitones se les da una masa pequeña pero distinta de cero, podría explicar la constante cosmológica sin necesidad de energía oscura y resolver el problema de la pequeñez . [14] La teoría recibió una Mención de Honor en el Concurso de Ensayos de 2014 de la Gravity Research Foundation por explicar la pequeñez de la constante cosmológica. [15] También la teoría recibió una Mención de Honor en el Concurso de Ensayos 2015 de la Gravity Research Foundation.por explicar naturalmente la homogeneidad e isotropía observadas a gran escala del universo debido a las correcciones cuánticas propuestas. [dieciséis]

Energía y longitud de onda [ editar ]

Si bien se supone que los gravitones no tienen masa , aún transportarían energía , al igual que 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 pueden determinar la energía del gravitón, la cantidad de energía transportada por un solo gravitón.

Alternativamente, si los gravitones son masivos , el análisis de ondas gravitacionales arrojó un nuevo límite superior en la masa de gravitones. La longitud de onda Compton del gravitón es al menos1,6 × 10 16  m , o aproximadamente 1,6 años luz , correspondiente a una masa de gravitón de no más de7,7 × 10 −23  eV / c 2 . [17] 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 fotónica . Sin embargo, si los gravitones son los cuantos de las ondas gravitacionales, entonces la relación entre la longitud de onda y la energía de partículas correspondiente es fundamentalmente diferente para los gravitones que para los fotones, ya que la longitud de onda Compton del gravitón no es igual a la longitud de onda gravitacional. En cambio, la longitud de onda del gravitón Compton del límite inferior es aproximadamente9 × 10 9 veces mayor que la longitud de onda gravitacional del evento GW170104 , que fue de ~ 1.700 km. El informe [17] no dio más detalles sobre la fuente de esta relación. Es posible que los gravitones no sean los cuantos de las ondas gravitacionales, o que los dos fenómenos estén relacionados de forma diferente.

Observación experimental [ editar ]

La detección inequívoca de gravitones individuales, aunque no está prohibida por ninguna ley fundamental, es imposible con cualquier detector físicamente razonable. [18] La razón es la sección transversal extremadamente baja de 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 los neutrinos , ya que las dimensiones del escudo de neutrinos requerido garantizarían el colapso en un agujero negro . [18]

Las observaciones de las colaboraciones de LIGO y Virgo han detectado directamente ondas gravitacionales . [19] [20] [21] Otros han postulado que la dispersión del gravitón produce ondas gravitacionales a medida que las interacciones entre partículas producen estados coherentes . [22] Aunque estos experimentos no pueden detectar gravitones individuales, podrían proporcionar información sobre ciertas propiedades del gravitón. [23] 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 quec en una región con densidad de masa distinta de cero si se desea que sean detectables). [24] Observaciones recientes de ondas gravitacionales han puesto un límite superior de1.2 × 10 −22  eV / c 2 en la masa del gravitón. [19] Las observaciones astronómicas de la cinemática de las galaxias, especialmente el problema de la rotación de las galaxias y la dinámica newtoniana modificada , podrían apuntar hacia gravitones con masa distinta de cero. [25] [26]

Dificultades y problemas pendientes [ editar ]

La mayoría de las teorías que contienen gravitones adolecen de graves problemas. Los intentos de ampliar el modelo estándar u otras teorías de campo cuántico mediante la adición de 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 con tales energías, desde un punto de vista teórico, esta situación no es sostenible. Una posible solución es reemplazar las partículas con 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. [27]

Ver también [ editar ]

  • Onda gravitacional
  • Gravitino
  • Gravitón dual
  • Gravitomagnetismo
  • Gravedad masiva
  • Gravedad
  • Multiverso
  • Masa de Planck
  • Fuerzas estáticas e intercambio de partículas virtuales

Referencias [ editar ]

  1. ^ G se usa para evitar confusiones con gluones (símbolo g)
  2. ^ Rovelli, C. (2001). "Notas para una breve historia de la gravedad cuántica". arXiv : gr-qc / 0006061 .
  3. ^ a b Blokhintsev, DI; Gal'perin, FM (1934). "Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии" [Hipótesis de los neutrinos y conservación de la energía]. Pod Znamenem Marxisma (en ruso). 6 : 147-157. ISBN 9785040089567.
  4. ↑ Zyla, P .; et al. ( Grupo de datos de partículas ) (2020). "Revisión de la física de partículas: bosones de Higgs y calibre" (PDF) . Cite journal requires |journal= (help)
  5. ^ Para una comparación de la derivación geométrica y la derivación (no geométrica) del campo espín-2 de la relatividad general, consulte el recuadro 18.1 (y también 17.2.5) de Misner, CW ; Thorne, KS ; Wheeler, JA (1973). Gravitación . WH Freeman . ISBN 0-7167-0344-0.
  6. ^ Feynman, RP; Morinigo, FB; Wagner, WG; Hatfield, B. (1995). Conferencias Feynman sobre gravitación . Addison-Wesley . ISBN 0-201-62734-5.
  7. ^ Zee, A. (2003). Teoría cuántica de campos en pocas palabras . Prensa de la Universidad de Princeton . ISBN 0-691-01019-6.
  8. ^ Randall, L. (2005). Pasajes deformados: desentrañar las dimensiones ocultas del universo . Ecco Press . ISBN 0-06-053108-8.
  9. ^ Ver los otros artículos en la relatividad general , el campo gravitacional , la onda gravitacional , etc.
  10. ^ Colosi, D .; et al. (2005). "Antecedentes de la independencia en pocas palabras: la dinámica de un tetraedro". Gravedad clásica y cuántica . 22 (14): 2971–2989. arXiv : gr-qc / 0408079 . Código bibliográfico : 2005CQGra..22.2971C . doi : 10.1088 / 0264-9381 / 22/14/008 .
  11. ^ Witten, E. (1993). "Independencia de fondo cuántico en la teoría de cuerdas". arXiv : hep-th / 9306122 .
  12. ^ Smolin, L. (2005). "El caso de la independencia de fondo". arXiv : hep-th / 0507235 .
  13. ^ Kaku, Michio (2006) Mundos paralelos: la ciencia de los universos alternativos y nuestro futuro en el cosmos . Doubleday. págs. 218-221. ISBN 978-0385509862 . 
  14. ↑ Ali, Ahmed Farag (2014). "Cosmología del potencial cuántico". Physics Letters B . 741 : 276-279. arXiv : 1404.3093 . Código bibliográfico : 2015PhLB..741..276F . doi : 10.1016 / j.physletb.2014.12.057 .
  15. ^ Das, Saurya (2014). "¿Coincidencia cósmica o masa de gravitones?". International Journal of Modern Physics D . 23 (12): 1442017. arXiv : 1405.4011 . Código bibliográfico : 2014IJMPD..2342017D . doi : 10.1142 / S0218271814420176 .
  16. ^ Das, Saurya (2015). "Condensación de Bose-Einstein como alternativa a la inflación". International Journal of Modern Physics D . 24 (12): 1544001–219. arXiv : 1509.02658 . Código bibliográfico : 2015IJMPD..2444001D . doi : 10.1142 / S0218271815440010 .
  17. ↑ a b B. P. Abbott; et al. ( Colaboración científica LIGO y Colaboración Virgo ) (1 de junio de 2017). "GW170104: Observación de una coalescencia de agujeros negros binarios de 50 masas solares en corrimiento al rojo de 0,2". Cartas de revisión física . 118 (22): 221101. arXiv : 1706.01812 . Código bibliográfico : 2017PhRvL.118v1101A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.118.221101 . PMID 28621973 . 
  18. ↑ a b Rothman, T .; Boughn, S. (2006). "¿Se pueden detectar los gravitones?". Fundamentos de la Física . 36 (12): 1801–1825. arXiv : gr-qc / 0601043 . Código Bibliográfico : 2006FoPh ... 36.1801R . doi : 10.1007 / s10701-006-9081-9 . S2CID 14008778 . 
  19. ^ a b Abbott, BP y col. (Colaboración científica LIGO y Colaboración Virgo) (2016). "Observación de ondas gravitacionales de una fusión de agujero negro binario". Cartas de revisión física . 116 (6): 061102. arXiv : 1602.03837 . Código bibliográfico : 2016PhRvL.116f1102A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.116.061102 . PMID 26918975 . 
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  22. ↑ Senatore, L .; Silverstein, E .; Zaldarriaga, M. (2014). "Nuevas fuentes de ondas gravitacionales durante la inflación". Revista de cosmología y física de astropartículas . 2014 (8): 016. arXiv : 1109.0542 . Código bibliográfico : 2014JCAP ... 08..016S . doi : 10.1088 / 1475-7516 / 2014/08/016 . S2CID 118619414 . 
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  25. ^ Trippe, Sascha (2012). "Un tratamiento simplificado de la interacción gravitacional en escalas galácticas". Revista de la Sociedad Astronómica Coreana . 46 (1): 41–47. arXiv : 1211.4692 . Código Bibliográfico : 2013JKAS ... 46 ... 41T . doi : 10.5303 / JKAS.2013.46.1.41 .
  26. ^ Platscher, Moritz; Smirnov, Juri; Meyer, Sven; Bartelmann, Matthias (2018). "Efectos de largo alcance en las teorías de la gravedad con el cribado de Vainshtein". Revista de cosmología y física de astropartículas . 2018 (12): 009. arXiv : 1809.05318 . Código bibliográfico : 2018JCAP ... 12..009P . doi : 10.1088 / 1475-7516 / 2018/12/009 . S2CID 86859475 . 
  27. ^ Sokal, A. (22 de julio de 1996). "No tire de la cuerda todavía en la teoría de supercuerdas" . The New York Times . Consultado el 26 de marzo de 2010 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Graviton en In Our Time en la BBC