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0136. Esiste la particella chiamata "Gravitone"?

Ho sentito parlare dell'esistenza di un' ipotetica particella chiamata gravitone che, se ho ben capito, sarebbe il vettore della forza di gravità. La mia domanda è: esiste realmente? È possibile ricreare in laboratorio (anche solo teoricamente), tramite queste particelle, un qualche campo gravitazionale? In che modo? (Ivano C.)

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 La meccanica quantistica icona_esperto[52] prevede un dualismo onde-particelle icona_esperto[44]. Ogni particella può essere considerata come un'onda ed infatti sono stati rivelati comportamenti ad onde degli elettroni e d’altre particelle. Analogamente un'onda prodotta da una forza può avere comportamenti simili a quelli di una particella elementare. Ad esempio un'onda elettromagnetica  icona_esperto[22] si può considerare come sovrapposizione di fotoni 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. 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.

Le onde gravitazionali sono state rivelate nel 2017 dagli esperimenti LIGO e VIRGO, e questa è stata una staordinaria conferma della Teoria della Relatività Generale di Einstein. Le onde gravitazionali possono essere emesse da corpi in rapidissima accelerazione in una situazione non simmetrica. Un’evidenza indiretta dell'emissione d’onde gravitazionali fu ottenuta nel 1974 dallo studio del sistema PSR1913+16 (sistema binario con al centro una stella di neutroni). Si è visto che la velocità di rotazione di questo sistema decresce in accordo con quanto previsto con l'emissione d’onde gravitazionali dalla Teoria della Relatività generale di Einstein. Questa scoperta è all’origine del premio Nobel assegnato agli astrofisici Russell icona_biografia e Taylor icona_biografia. Negli ultimi decenni un gran numero di ricercatori ha sviluppato tecniche per la rivelazione diretta di onde gravitazionali emesse da sistemi astrofisici (supernove, buchi neri, stelle di neutroni in sistemi isolati o binari). L'iniziatore della ricerca di segnali gravitazionali prodotti da fenomeni astrofisici è stato il fisico Joseph Weber  dell'università del Maryland. Nel 1969 Weber rilevò dei segnali che potevano essere attribuiti ad onde gravitazionali. Questi segnali non furono mai confermati da esperimenti successivi, ma gli sforzi di Weber diedero il via a tutta l’attività sperimentale che ha finalmente portato, a settembre 2015, alla prima rivelazione diretta di onde gravitazionali. Il percorso che ha portato alla rivelazione è stato dunque lungo e complesso ed ha richiesto l’impiego di tecniche e rivelatori con caratteristiche diverse e sempre più raffinati.

I rivelatori di onde gravitazionali si basano sul principio classico di misurare le variazioni di distanze provocate dal passaggio dell’onda. Per una sorgente di onde gravitazionali all’interno della nostra galassia le variazioni di distanza attese qui sulla Terra per due oggetti posti a un metro di distanza sono piccolissime, inferiori a 10-18 metri, (un miliardesimo di miliardesimo di metro) cioè variazioni inferiori ad un decimo della dimensione di un atomo. Per la ricerca delle onde gravitazionali si sono inizialmente utilizzati (seguendo l’esempio di Weber) rivelatori chiamati “antenne risonanti”, ossia barre di alluminio raffreddate a temperature bassissime, come il rivelatore NAUTILUS nei laboratori di Frascati e il rivelatore AURIGA a Padova, le cui vibrazioni vengono sollecitate al passaggio dell’onda gravitazionale. A partire dalla fine degli anni ‘90 è iniziato invece il progetto e la realizzazione di rivelatori chiamati “interferometrici”, basati sul diverso principio di misurare la variazione prodotta dal passaggio dell’onda gravitazionale nella figura di interferenza osservata quando la luce di un laser, che circola su due bracci lunghi 3-4 km, si ricombina. Si tratta di rivelatori quali LIGO e VIRGO nell’osservatorio EGO, a Cascina (Pisa).
I progressi nella sensibilità dei rivelatori negli ultimi decenni sono stati importanti, si sono raggiunte sensibilità tali da poter finalmente iniziare a vedere onde gravitazionali. Infatti, 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]. 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]. Il rivelatore Virgo, che ha iniziato la presa dati nel 2003, ha rivelato il suo primo segnale gravitazionale il 14 agosto 2017 e ha contribuito alla misura e alla identificazione della posizione della sorgente del primo segnale dovuto alla fusione di 2 stelle di neutroni, il 17 agosto 2017, GW170817 [3], evento che ha segnato l’inizio dell’astronomia multimessaggera.
Le sensibilità attuali sono tali che fenomeni quali la fusione di 2 stelle di neutroni possono essere visti fino a distanze di circa 300 milioni di anni luce, mentre per fenomeni quali la fusione di due buchi neri si arriva anche molto più lontano, alcuni miliardi di anni luce. Invece per altre tipologie di fenomeni, quali esplosioni di Supernova, la cui rivelazione ad oggi ancora non è stata fatta, i rivelatori possono purtroppo ad oggi arrivare solo a vedere fenomeni che avvengano nella nostra Galassia.
La rete di rivelatori gravitazionali terrestre si è recentemente arricchita della presenza del rivelatore Kagra, in Giappone [4] e il futuro è già denso di progetti, che porteranno a misure di tante diverse categorie di fenomeni.
Tornando al tema sulla esistenza del gravitone, non possiamo con questi rivelatori, che lavorano sul principio classico di misura dell’onda gravitazionale, verificare che il gravitone davvero esista. Ma, supponendo che il gravitone esista, possiamo metterne limiti alla massa. 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). Questo perché nell’ipotesi di gravitone di massa non nulla il segnale gravitazionale osservato sarebbe apprezzabilmente diverso [1].
La rivelazione diretta delle onde gravitazionali ha pertanto condotto ad un’ulteriore conferma della teoria della relatività generale di Einstein e sta attualmente consentendo lo studio dell'Universo con un nuovo tipo di astronomia, che possiamo definire “multimessaggera”, ossia che si avvale delle osservazioni congiunte con diversi tipi di strumenti e messaggeri [3]. Questo nuovo tipi di astronomia è particolarmente interessante anche perché l'Universo è trasparente alle onde gravitazionali (cosa non vera per i fotoni).
Grazie a queste misure ad oggi sono stati possibili diversi test sulla relatività generale. I risultati di queste verifiche al momento hanno confermato le predizioni della relatività generale consentendo, sempre per rispondere alla domanda sul gravitone, di mettere come detto dei limiti sulla sua massa, qualora esista, ma anche di confermare, confrontando i tempi di arrivo di fotoni e onde gravitazionali al tempo di GW170817 [3], il fatto che le onde gravitazionali viaggino alla velocità della luce (il che implica massa nulla del suo messaggero). Il risultato ovviamente ha una sua incertezza, dovuta soprattutto ai modelli usati per il confronto fra la velocità delle due onde (gravitazionale ed elettromagnetica).
Dunque, per quanto si stia lavorando sempre con strumenti classici, iniziamo ad avvicinarci anche ad una migliore comprensione sul questa elusiva particella chiamata gravitone, la cui esistenza o creazione resta però totalmente al di fuori di questi esperimenti.


[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

[3] ] Physical Review Letters 119, 161101 (2017). Sommario scientifico divulgativo: https://www.ligo.org/science/Publication-GW170817BNS/index.php

[4] Living Reviews in Relativity, 21 , 3 (2018).

Alcuni di questi temi sono discussi nella nostra rivista Asimmetrie, numero 25, nei nostri Percorsi, e nell’area tematica.

Francesco Ronga – Fisico

revisione di Pia Astone, fisico

marzo 2020
 

 

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