El gravitón

En el anterior artículo de la serie Esas maravillosas partículas, en el que hablamos acerca del bosón de Higgs, terminamos con la última partícula interesante delModelo Estándar de partículas subatómicas. A partir de hoy nos adentramos en aguas procelosas: estudiaremos partículas que no sólo no han sido observadas experimentalmente, sino que están fuera del modelo que tantos éxitos ha tenido en sus predicciones.

Por otro lado, estar fuera del Modelo Estándar no tiene por qué significar que la partícula en cuestión sea una frívola suposición ni nada por el estilo: no es vergonzoso para una partícula estar fuera de él; para empezar, los físicos saben que el Modelo Estándar no es una teoría completa del Universo y las partículas que en él existen, pues no explica todo lo que hemos observado hasta ahora. Algunas de las partículas de las que hablaremos a partir de hoy serán, en efecto, apuestas arriesgadas por parte de los físicos teóricos que las han propuesto, pero otras son posibilidades muy reales y estamos ahora mismo buscándolas. De hecho, hoy verás cómo puedes poner un granito de arena en esta búsqueda desde tu propia casa.

En cualquier caso, la primera partícula más allá del Modelo Estándar de la que vamos a hablar es, aunque hipotética, nombrada con relativa frecuencia. En gran parte esto se debe a que, como veremos, todo sería tan bonito y simétrico si esta partícula existiese… hablaremos del gravitón.

Como suelo decir, si sabes del asunto puede que sufras, te muerdas las uñas y rechines los dientes al ver las simplificaciones y la manera de hablar con la que me propongo atacar el asunto (puede que más que “atacar” a ti te parezca “destruir”). Si sufres, lo siento, pero la filosofía de El Tamiz es “antes simplista que incomprensible”. Hay muchos textos muy técnicos y completos por ahí, y si este estilo no te gusta, mejor dejas de leer esta entrada.

Dicho esto –y soy consciente de que me repito, pero es inevitable–, recordemos algunas de las partículas de las que hemos hablado en la serie. Si la has seguido desde el principio, tienes un conocimiento básico pero espero que sólido sobre las partículas fundamentales que son responsables de casi todas las interacciones que conocemos. Espero que recuerdes cómo el fotón era el responsable de la interacción electromagnética, el gluón de la interacción nuclear fuerte (y los piones de la interacción nuclear fuerte residual), y los bosones W y Z los que se encargaban de la interacción nuclear débil.

Es decir, cada una de estas interacciones puede ser modelada teóricamente mediante el intercambio de partículas virtuales (en todos los casos, como también espero que recuerdes, bosones). Esto es consecuencia de que el Modelo Estándar es el hijo de la teoría cuántica de campos. Todas esas interacciones pueden producir ondas, y los bosones que las transmiten (como el fotón) no son más que la cuantización de esas ondas. Si has seguido la serie de Cuántica sin fórmulashasta el momento, deberías estar ya familiarizado con este concepto para el caso de la radiación electromagnética y el fotón.

Hasta aquí, todo correcto. Pero, ¿y qué hay de la gravedad? Es la única interacción fundamental que no hemos mencionado en el párrafo anterior. ¿Es que la pobre gravedad no tiene una partícula asociada que es intercambiada y cuantiza sus ondas? La fuerza gravitatoria tiene un comportamiento extraordinariamente similar, en algunos aspectos, a la electromagnética, aunque en otros es muy distinta. ¿No puede regirse por leyes físicas similares y tener su propia partícula?

Este razonamiento, aunque a un nivel y con una abstracción mucho mayores, lo han realizado muchos físicos fundamentales, y el resultado ha sido una partícula hipotética que sería para la gravedad lo mismo que el gluón es para la interacción fuerte, o el fotón para la electromagnética. No es muy original, pero el nombre que se ha dado tradicionalmente a esta partícula es el de gravitón. Algunos físicos juran y perjuran que debe existir, mientras que otros los miran arqueando las cejas con desdén. Sólo los experimentos darán la razón a unos o a otros.

Como digo, el gravitón es una posible partícula fundamental, pero eso no quiere decir que no tengamos ni idea de cómo puede ser. De existir, es probable que siga los mismos patrones que los otros bosones que hemos mencionado antes. Por ejemplo, el gluón tiene masa y es inestable, con lo que la interacción nuclear fuerte tiene un alcance muy corto. Sin embargo, el fotón tiene masa nula y es estable, por lo que la interacción electromagnética, y por lo tanto la luz, tienen un alcance infinito.

Tú mismo, querido lector, puedes estimar entonces algunas de las características del gravitón, si es que existe, sin usar una sola ecuación. Para empezar, notamos la fuerza gravitatoria de objetos extraordinariamente lejanos, como vemos continuamente en astronomía: por ejemplo, el Sol orbita el centro de la Vía Láctea, y las galaxias forman cúmulos globulares alrededor de su centro de gravedad común. De modo que la gravedad tiene un alcance gigantesco — de hecho, pensamos que tiene un alcance infinito, aunque no estamos completamente seguros.

De modo que el gravitón probablemente no tiene masa, y si la tiene será minúscula. Los cálculos a partir del alcance medido de la interacción gravitatoria dan un máximo posible de masa al gravitón de unos 10-69 kg: es decir, que como mucho es cien billones de cuatrillones de veces más ligero que un electrón. Pero vamos, la mayor parte de los físicos apuestan por un alcance infinito y una masa nula, lo mismo que en el caso del fotón.

Además, puesto que sería el responsable de una interacción, el gravitón sería un bosón — tendría un espín entero. Es posible que recuerdes que el fotón tenía un espín de 1, debido a la naturaleza de la interacción electromagnética. Los físicos predicen que el gravitón tendría un espín de 2 porque la gravedad es un campo tensorial de segundo orden, pero esa razón tan rimbombante es lo de menos: lo importante es que sería un bosón, como el fotón.

No sólo eso: de tener masa nula, como creemos que la tiene, el gravitón se movería a la velocidad de la luz, igual que el fotón. La fuerza gravitatoria tendría pues (como creemos que tiene) un alcance infinito y se transmitiría a 300.000 km/s. De modo que un gravitón sería muy parecido a un fotón en varios aspectos… pero muy diferente en otros.

Esto no debería ser sorprendente: para empezar, la fuerza electromagnética y la gravitatoria son de una intensidad totalmente distinta. Por ejemplo, amable y paciente lector, ahora mismo tú estás notando la interacción electromagnética en multitud de fenómenos: la luz que llega a tus ojos con las letras que lees, el contacto de la silla y el suelo, los sonidos que oyes (pues la vibración se produce por la repulsión eléctrica entre capas electrónicas)… estás interaccionando electromagnéticamente con docenas de otros objetos.

Pero sólo notas la fuerza gravitatoria de un objeto: la Tierra. La gravedad es muy, muy débil, de modo que hacen falta masas gigantescas para que puedas notarla. Sí, también eres atraído por otros objetos, pero prácticamente no notas nada — desde luego, no con los sentidos, al contrario que en el caso de la interacción electromagnética.

¿A dónde quiero llegar con esto? A que el gravitón transporta una energía muchísimo más pequeña que el fotón y, por lo tanto, es muchísimo más difícil de detectar que el fotón. Para poder detectar uno haría falta producir un gravitón de mucha energía — por ejemplo, en un acelerador de partículas como el LHC en construcción.

Sin embargo, existe otra diferencia aún más importante entre ambas fuerzas, y esa diferencia es la clave del asunto: la gravedad modifica el espacio-tiempo a su alrededor, la fuerza electromagnética no.

Claro, de acuerdo con la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, las masas curvan el espacio-tiempo a su alrededor. Seguro que has visto las imágenes de la Tierra en una especie de sábana curvada por nuestro planeta. Es decir, aunque no vamos a entrar a discutir el asunto en profundidad, la gravedad define qué forma tiene nuestro Universo, al completo o partes pequeñas de él. Por lo tanto, cualquier cosa relacionada con la gravedad es más complicada que en el caso de las otras fuerzas. Piénsalo así: un gravitón se mueve por el espacio a la velocidad de la luz, al mismo tiempo que determina la forma de ese espacio. La cosa se vuelve rara.

De hecho, se vuelve tan rara que no la entendemos aún, al menos para todas las energías. Haría falta una teoría que combinase la cuántica con la relatividad general para poder tener una teoría cuántica del campo gravitatorio, y eso, como hemos comentado hace tiempo aquí mismo, es muy difícil. Pero algunas de las teorías propuestas en esa línea utilizan los gravitones como cuantización del campo gravitatorio.

El problema teórico es grande, pero el experimental no lo es menos: ¿cómo “ver” un gravitón? La solución no es conceptualmente complicada, pero llevarla a la práctica es más complejo. El mejor indicio de que los gravitones podrían existir es que las ondas gravitacionales existen, y tal vez podríamos observar una. No las hemos visto nunca directamente, pero las observaciones de un sistema binario por Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr. demostraron indirectamente que estas ondas existen (de hecho, Hulse y Taylor recibieron el Premio Nobel de Física en 1993 por esas observaciones).

Onda gravitacional creada por un sistema binario. Crédito: K. Thorne (Caltech), T. Carnahan (NASA GSFC).

Si pudiéramos observar y medir una onda gravitacional directamente, a partir de sus características sería posible determinar las del gravitón y tal vez observar uno como partícula. El problema es que, al tener una energía tan minúscula, las ondas gravitacionales son muy difíciles de detectar. Para que te hagas una idea, el sistema Sol-Tierra en su movimiento emite ondas gravitacionales: ambos cuerpos se mueven alrededor del centro de gravedad, y si estás por ejemplo en un punto alejado de ellos, la gravedad ahí cambia rítmicamente dependiendo de la posición del Sol y la Tierra (pasa por un máximo y un mínimo con un período constante, como una onda de otro tipo). No somos un sistema binario, pero la figura de arriba te puede ayudar a entender lo que trato de decir.

De modo que podría ponerse un pequeño anillo de partículas flotando en el espacio y, según la onda gravitacional pasara, las partículas se acercarían y alejarían unas de otras rítmicamente, algo parecido a esto:

Pero claro, en la figura el movimiento está exagerado. Pero muy, muy exagerado: las partículas se moverían una distancia máxima de unos 10-24 metros…¡menos de un billón de veces el tamaño de un átomo! Las ondas gravitacionales son diminutas, y ésa es la razón de que aún no hayamos detectado ninguna directamente. Piensa que la potencia total emitida por el sistema Tierra-Sol en forma de ondas gravitatorias es de unos 300 watios — cinco bombillas de 60 w cada una. La potencia total emitida por el Sol en forma de ondas electromagnéticas es de unos 3·1026 watios. Ahí tienes la diferencia.

Detectar estas ondas, y a partir de ellas los gravitones (si es que existen) es, como digo, muy difícil, pero no imposible. Aparte del futuro LHC, existen varios proyectos funcionando ahora mismo que tratan de detectar y medir las propiedades de estas ondas: el problema es que no basta con tener aparatos muy precisos (suelen utilizarse interferómetros láser de una precisión tremenda). Las perturbaciones de estas ondas son tan minúsculas que hace falta, para empezar, ser consciente de todos los otros efectos que pueden alterar el aparato, calcularlos, restarlos de las medidas… para al final quedarse con lo que sí esla onda gravitacional, si es que está ahí. Cualquier otro efecto (gravitatorio pero no ondulatorio, de vibración del propio aparato, electromagnético…) debe ser descartado cuidadosamente.

Los observadores más prometedores para tratar de detectar ondas gravitacionales son el LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser), una colaboración del MIT y de Caltech, y el GEO alemán, situado en Hannover. Pero todo esto no es el reducto de los observatorios y universidades lejanos: puedes colaborar en este proyecto desde tu propia casa. Si eres un habitual de El Tamiz conoces probablemente el programa BOINC de computación compartida, del que hemos hablado antes aquí. Bien, utilizando BOINC puedes añadir el proyectoEinstein@Home al programa y así donar parte del tiempo de proceso de tu ordenador a realizar los cálculos necesarios para detectar ondas gravitacionales a partir de los datos de LIGO y GEO. Si tienes un procesador pasadísimo de vueltas con refrigeración líquida para jugar a los últimos juegos que han salido este año, ¿se te ocurre algo mejor que hacer con ese maquinón mientras no lo usas que encontrar un gravitón?