En física, el gravitón es una hipotética partícula elemental que media la fuerza de la gravitación en el marco de la teoría cuántica de campos . Si existe, se espera que el gravitón ser sin masa (debido a la fuerza gravitacional parece tener gama ilimitada) y debe ser un giro -2 Higgs . El giro se deduce del hecho de que la fuente de la gravitación es el tensor de tensión-energía , una segunda fila de tensor (en comparación con el electromagnetismo spin-1 de fotones 's, cuya fuente es el cuadricorriente , un tensor de primer orden) .Además, se puede demostrar que cualquier campo sin masa spin-2 daría lugar a una fuerza indistinguible de la gravitación, porque una sin masa spin-2 campo debe acoplarse a (interactuar con) el tensor de tensión-energía de la misma forma que el campo gravitatorio hace. En vista de que el gravitón es hipotética, su descubrimiento podría unir la teoría cuántica con la gravedad Este resultado sugiere que, si se descubre un sin masa spin-2 de partícula, que debe ser el gravitón, por lo que la única verificación experimental necesario para el gravitón puede ser simplemente el descubrimiento de un sin masa spin-2 de partículas.
Los otros tres conocidos fuerzas de la naturaleza están mediados por partículas elementales: el electromagnetismo por elfotón , la fuerte interacción de los gluones , y la interacción débil por los bosones W y Z . La hipótesis es que la interacción gravitatoria es igualmente mediada por una - aún por descubrir - partícula elemental, denominado como el gravitón . En ellímite clásico , la teoría reduciría a la relatividad general y se ajustan a la ley de la gravitación de Newton en el límite de campo débil.
Al describir las interacciones gravitacionales, la teoría clásica de los diagramas de Feynman , y correcciones semiclásicos tales como diagramas de un bucle comportarse normalmente. Pero, diagramas de Feynman con al menos dos bucles conducen a ultravioleta divergencias . Estos resultados infinitos no pueden eliminarse porque cuantificado la relatividad general no es perturbativamente renormalizable , a diferencia de la electrodinámica cuántica modelos como Yang-Mills .Por lo tanto, respuestas incalculables se encuentran desde el método de perturbación por el cual los físicos calcular la probabilidad de una partícula a emitir o absorber gravitones; y la teoría pierde veracidad predictivo. Esos problemas y el marco aproximación complementaria razones para demostrar que una teoría más unificada de la relatividad general cuantificada es suficiente para describir el comportamiento cerca de la escala de Planck .
A diferencia de los portadores de fuerza de las otras fuerzas , la gravedad juega un papel especial en la relatividad generalen la definición del espacio-tiempo en el que los eventos tienen lugar. En algunas descripciones , la materia se modifica la "forma" del espacio-tiempo en sí, 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. Debido a que el difeomorfismo invariancia de la teoría no le permite a ningún fondo particular, el espacio-tiempo de ser señalado como el espacio de la "verdadera" -tiempo de fondo, se dice que la relatividad general para ser de fondo independiente . En contraste, el modelo estándar esno fondo independiente, con el espacio de Minkowski disfrutando de un estatus especial como el fondo del espacio-tiempo fijo. Una teoría de la gravedad cuántica se necesita con el fin de reconciliar estas diferencias. Si esta teoría deberían ser independiente de fondo es una cuestión abierta. La respuesta a esta pregunta determinará nuestra comprensión de lo que la gravitación papel específico juega en el destino del universo.
La teoría de cuerdas predice la existencia de gravitones y sus bien definidas interacciones . Un gravitón en la teoría de cuerdas perturbative es una cuerda cerrada en un estado de vibración de baja energía muy particular. La dispersión de los gravitones en la teoría de cuerdas también se puede calcular a partir de las funciones de correlación en la teoría conforme de campos , según lo dictado por la AdS / CFT correspondencia, ni de la teoría de matrices .
Una característica de los gravitones en la teoría de cuerdas es que, como cuerdas cerradas sin puntos finales, no estarían obligados a branas y podían desplazarse libremente por ellos. Si vivimos en una membrana (como se planteó la hipótesis de las teorías de branas ) esta "fuga" de los gravitones de la membrana hacia el espacio de dimensiones superiores podría explicar por qué la gravedad es una fuerza tan débil, y gravitones de otras branas adyacente a nuestra propia podría proporcionar un potencial explicación de la materia oscura . Sin embargo, si los gravitones se movieran libremente entre branas por completo esta diluiría la gravedad demasiado, causando una violación de la ley del cuadrado inverso de Newton. Para combatir esto, Lisa Randall encontrado que un tres-brana (como la nuestra) tendría una fuerza gravitacional de su propio, evitando gravitones a la deriva libremente, resultando posiblemente en la gravedad diluida observamos mientras se mantiene más o menos la ley del cuadrado inverso de Newton. Ver la cosmología de branas .
Una teoría de Ahmed Farag Ali y Saurya Das añade correcciones de la mecánica cuántica (utilizando trayectorias de Bohm) a geodésicas relativistas generales. Si gravitones se les da una pequeña, pero no nula de masas, podría explicar laconstante cosmológica , sin necesidad de que la energía oscura y resolver la pequeñez del problema.
Detección inequívoca de gravitones individuales, aunque no esté prohibido por ninguna ley fundamental, es imposible con cualquier detector físicamente razonable. La razón es la extremadamente baja sección transversal de la interacción de los gravitones con la materia. Por ejemplo, un detector con la masa de Júpiter y el 100% de eficiencia, colocado en estrecha órbita alrededor de una estrella de neutrones , sólo sería espera observar un gravitón cada 10 años, incluso bajo las condiciones más favorables. Sería imposible discriminar estos eventos desde el fondo de neutrinos , ya que las dimensiones de la cazoleta de neutrinos requerido asegurarían colapsan en un agujero negro .
Los experimentos han confirmado la existencia de las ondas gravitacionales , que posiblemente puede ser visto como los estados coherentes de muchas gravitones. A pesar de que estos experimentos no pueden detectar gravitones individuales, que podrían proporcionar información sobre ciertas propiedades del gravitón. Por ejemplo, si se observaron las ondas gravitacionales para propagar más lento que c (la velocidad de la luz en el vacío), esto implicaría que el gravitón tiene masa (sin embargo, las ondas gravitacionales deben propagar más lento que c en una región con una densidad distinta de cero masivo si se quiere que sean detectables). las observaciones recientes de ondas gravitacionales han puesto un límite superior de 1,2 x 10 -22 eV / c 2 de la masa del gravitón. observación astronómica del cinemática de galaxias, especialmente el problema de rotación de galaxias y la dinámica newtoniana modificada , podrían apuntar hacia gravitones que tienen distinto de cero en masa.
La mayoría de las teorías que contienen gravitones sufren de problemas graves. Los intentos de extender el modelo estándar u otras teorías cuánticas de campos mediante la adición de gravitones encuentran con dificultades teóricas graves a altas energías (procesos que implican energías cercanas o por encima de la escala de Planck ) a causa de los infinitos que surgen debido a efectos cuánticos (en términos técnicos, la gravitación es nonrenormalizable ). Desde clásicos relatividad general y la mecánica cuántica parecen ser incompatibles en este tipo de energías, desde un punto de vista teórico, esta situación no es sostenible. Una posible solución es reemplazar partículas con cadenas . Las teorías de cuerdas son teorías cuánticas de la gravedad en el sentido de que se reducen a la relatividad general clásica además de la teoría del campo a bajas energías, pero son totalmente mecánica cuántica, contienen un gravitón, y se cree que son matemáticamente consistente.