0335. Che cosa sono i gravitoni?

Ho sentito parlare delle particelle gravitoni. Potreste spiegarmi meglio a che punto sono le ricerche e se la particella esiste veramente? (Giuseppe Giannotti)

sem_esperto_verdeLa meccanica quantistica icona_esperto[52] prevede un dualismo onde-particelle. icona_esperto[22]icona_esperto[44]. Ogni particella può essere considerata come un'onda ed infatti sono stati rivelati comportamenti ondulatori degli elettroniicona_glossario e d’altre particelle. Analogamente un'onda prodotta da un'interazione icona_glossario può avere comportamenti simili a quelli di una particella elementareicona_glossario . Ad esempio, un' onda elettromagnetica   si può considerare come sovrapposizione di fotoni icona_glossario ognuno dei quali ha massa zero, velocità della luce e un quanto d’energia E=hv ove h è la costante di Planck icona_biografia e v è la frequenza della luce.

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Modello Standard: il gravitone è il bosone portatore dell’ interazione gravitazionale. Il gravitone, come il fotone, ha massa zero mentre il suo spin è 2, diversamente dal fotone cha ha spin 1.

Come un'onda elettromagnetica si può considerare una sovrapposizione di fotoni, allo stesso modo un’onda gravitazionale si può considerare come costituita da quanti detti "gravitoni" particelle ipotetiche di massa nulla e viaggianti alla velocità della luce. 

Il 14 settembre 2015 per la prima volta i rivelatori di onde gravitazionali LIGO hanno misurato un segnale dovuto ad emissione di onde gravitazionali in un fenomeno, avvenuto ben 1.3 miliardi di anni prima, di collisione fra due buchi neri rotanti uno intorno all’altro, GW150914 [1]. Si è trattato della prima osservazione diretta di onde gravitazionali. Molti altri segnali sono stati poi rivelati, fino ad arrivare, a fine 2018, alla creazione del primo catalogo con le caratteristiche delle onde gravitazionali rivelate [2]. Venendo ora alla domanda sul gravitone, notiamo che lo studio delle caratteristiche delle onde gravitazionali misurate consente, nonostante il gravitone non sia un concetto appartenente alla relatività generale e ricordando che i rivelatori misurano solo le onde gravitazionali, ossia l’aspetto ondulatorio del fenomeno, di porre dei limiti sulla massa del gravitone stesso, avendone supposto l’esistenza. Infatti, concentrandoci sulla misura fatta con la prima rivelazione, GW150914, le caratteristiche dell’onda gravitazionale (in termini più rigorosi potremmo dire “l’andamento della fase del segnale gravitazionale al passare del tempo”) hanno consentito di confermare le predizioni sul fatto che il gravitone (qualora esista) abbia massa nulla. Più precisamente si è potuto concludere che la massa del gravitone sia minore di 10-22 eV/c2 (ricordiamo che la massa di un elettrone nelle stesse unità vale 0.5*106 eV/c2 ). Non possiamo con questi rivelatori però verificare che il gravitone davvero esista.

[1] Physical Review Letters 116, 061102 (2016). Sommario scientifico divulgativo: https://www.ligo.org/science/Publication-GW150914/index.php

[2] Physical Review X 9, 031040 (2019). Sommario scientifico divulgativo: https://www.ligo.org/science/Publication-O2Catalog/index.php

 Pia Astone, fisico

 ultimo aggiornamento marzo 2020
 

 

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