I gravitoni giganti

Ho una questione che mi impedisce di dormire la notte: cosa sono i gravitoni giganti?
Roberto Manzocco
19 febbraio 2002
Il modo più semplice per comprendere cosa sia un gravitone è probabilmente la sua analogia con il fotone.
Alla fine dell'Ottocento, la teoria di Maxwell dell'elettromagnetismo descriveva la propagazione di variazioni nel campo elettrico-magnetico attraverso onde. Queste sono le familiari onde elettromagnetiche alla base delle trasmissioni audio e video ma anche le stesse che descrivono la luce (luce visibile, onde radio, microonde ecc. sono tutte onde elettromagnetiche differenti solo per lunghezza d'onda).
In seguito la teoria dei campi quantistici ha portato alla comprensione che in realtà queste onde sono composte da quanti fondamentali, i fotoni. Ed esperimenti scientifici, come l'effetto fotoelettrico, hanno provato che questo quadro è in accordo con quanto osserviamo.

L'esistenza di quanti fondamentali è in realtà una predizione molto più generale: nella teoria quantistica dei campi ogni forza è mediata da quanti fondamentali. Le differenti proprietà di questi quanti spiegano la differente natura delle forze fondamentali (interazione gravitazionale, nucleare forte, debole ed elettromagnetica).
In questo senso esiste un'analogia tra la gravità e le forze elettromagnetiche. Variazioni nel campo gravitazionale si propagano, seconda la teoria classica (cioè non quantistica) della gravità (la relatività generale di Einstein), come "onde gravitazionali". In una teoria quantistica queste onde sono composte da quanti di gravità, i gravitoni. Questi, come i fotoni, sono particelle prive di massa che si muovono alla velocità della luce (si può dimostrare che questo è legato al fatto che interazione gravitazionale ed elettromagnetica sono le uniche forze fondamentali ad avere un raggio d'azione infinito).

Il problema è che non abbiamo al momento una teoria quantistica della gravità ma "solo" la relatività generale che descrive la gravità in maniera "classica". Inoltre, non abbiamo mai rilevato direttamente le onde gravitazionali: la forza di gravità è molto debole e quindi è difficile costruire un'antenna gravitazionale. Ciò nonostante ambiziosi esperimenti (Ligo e Lisa) sono in cantiere e si spera che presto potremo avere una rilevazione diretta delle onde gravitazionali. Comunque, abbiamo già avuto una rilevazione indiretta della loro esistenza attraverso la perdita d'energia rilevata nella rotazione di alcuni oggetti astrofisci. Si è visto che questa perdita avviene esattamente come previsto in relatività generale qualora si abbia emissione di onde gravitazionali.
La rilevazione diretta della natura quantistica della gravità, e quindi dei gravitoni, è ancora al di là da venire. Si nutre qualche speranza che osservazioni cosmologiche possano dare qualche indicazione.

Riguardo ai gravitoni giganti si deve subito dire che ci muoviamo in un ambito estremamente speculativo.
Essi sono infatti predizioni di alcuni modelli derivati dalla teoria della superstringa. Cosa sia questa teoria è una lunga e complicata storia (anche perché è una teoria ancora in via di sviluppo), ma essa è al momento il miglior modello disponibile di teoria quantistica della gravità. In questi modelli di superstringa lo spazio-tempo ha in realtà 10 o 11 dimensioni di cui noi vediamo/viviamo solo 4. Può accadere che, in particolari implementazioni della teoria, particelle prive di massa dotate di crescente momento angolare diventino sempre più estese. Quindi in questi modelli gravitoni con grande energia diventano "giganti" nel senso di estesi, in principio grandi quanto l'universo che li contiene.

Stefano Liberati Settore di Astrofisica, SISSA, Trieste

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