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I gravitoni potrebbero risolvere il mistero della materia oscura?

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Una delle osservazioni più sconcertanti sull’Universo è che non c’è abbastanza materia – almeno, materia che conosciamo – per spiegare come vediamo che le cose stanno gravitando. 

Sulla scala del Sistema Solare, la Relatività Generale e le masse che osserviamo fanno bene il lavoro. Ma su scale più grandi, i moti interni delle singole galassie indicano la presenza di più massa di quella che osserviamo. Le galassie negli ammassi si muovono troppo velocemente, mentre i raggi X rivelano una quantità insufficiente di materia normale. 

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Anche su scala cosmica, deve essere presente una massa extra per spiegare l’effetto lente gravitazionale, la rete cosmica e le imperfezioni nel bagliore residuo del Big Bang. Anche se tipicamente invochiamo una nuova particella di qualche tipo, un’idea intrigante è puramente gravitazionale: la materia oscura potrebbe essere composta da soli gravitoni?

Perché la materia oscura non può essere composta di gravitoni? O, meglio ancora, i gravitoni potrebbero costituire parte o tutta la materia oscura? Diamo un’occhiata a ciò che sappiamo e vediamo quali possibilità rimangono.

Materia oscura e gravitoni

La prima cosa che dobbiamo considerare è, astrofisicamente, ciò che già sappiamo dell’Universo, perché è dall’Universo stesso che otteniamo tutte le informazioni che conosciamo sulla materia oscura. La materia oscura deve essere:

  • grumosa, il che ci dice che deve avere una massa a riposo diversa da zero,
  • senza collisioni, nel senso che non può entrare in collisione né con la materia normale né con i fotoni,
  • minimamente auto-interagente, vale a dire che ci sono restrizioni piuttosto rigide su quanto la materia oscura possa entrare in collisione e interagire con altre particelle di materia oscura
  • e fredda, il che significa che – anche nei primi tempi nell’Universo – questo materiale ha bisogno di muoversi lentamente rispetto alla velocità della luce.

Inoltre, quando guardiamo al modello standard delle particelle elementari, troviamo, in modo abbastanza definitivo, che non ci sono particelle che già conosciamo adatte ad essere un buon candidato per la materia oscura. Qualsiasi particella con una carica elettrica deve essere scartata, così come quelle instabili che decadono. 

I neutrini sono troppo leggeri; sono nati caldi e rappresenterebbero un tipo di materia oscura molto diverso da quello che abbiamo dedotto, inoltre, in base alle nostre misurazioni cosmiche, possono costituire solo circa l’1% della materia oscura, al massimo. 

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Le particelle composite, come il neutrone, si aggregherebbero e si raggrupperebbero insieme, perdendo quantità di moto e momento angolare in modo troppo significativo; sono troppo “auto-interagenti”. E anche le altre particelle neutre, come i gluoni, si accoppierebbero troppo fortemente alle altre cose normali là fuori; sono troppo “collisionali”.

Di qualunque cosa sia fatta la materia oscura, non è nessuna delle particelle di cui siamo a conoscenza. 

Senza questi vincoli – poiché l’ipotesi nulla è definitivamente esclusa – siamo liberi di speculare su cosa potrebbe essere la materia oscura. E sebbene non sia certamente l’opzione più popolare, ci sono molte ragioni per cui si potrebbe voler considerare il gravitone.

Motivo n. 1: la gravità esiste ed è molto probabile che sia di natura quantistica. A differenza di molti dei candidati della materia oscura di cui si parla più comunemente, c’è molta meno speculazione associata al gravitone di quasi qualsiasi altra idea nella fisica oltre il Modello Standard. Infatti, se la gravità, come le altre forze conosciute, risulta essere intrinsecamente di natura quantistica, allora è richiesta l’esistenza di un gravitone. Ciò è in contrasto con molte altre opzioni, tra cui:

  • una particella supersimmetrica più leggera, che richiederebbe l’esistenza della supersimmetria nonostante la montagna di prove che non esiste,
  • la particella di Kaluza-Klein più leggera, che richiederebbe dimensioni extra per esistere, nonostante una completa mancanza di prove per loro,
  • un neutrino sterile, che richiederebbe fisica aggiuntiva nel settore dei neutrini ed è fortemente vincolato dalle osservazioni cosmologiche,
  • o un assione, che richiederebbe l’esistenza di almeno un nuovo tipo di campo fondamentale,

tra molti altri candidati. L’unico presupposto di cui abbiamo bisogno, per avere gravitoni nell’Universo, è che la gravità sia intrinsecamente quantistica, piuttosto che essere descritta dalla teoria classica della Relatività Generale di Einstein su tutte le scale.

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Motivo n. 2: i gravitoni non sono necessariamente privi di massa. Nel nostro universo, puoi raggrupparti e formare una struttura legata, gravitazionalmente, solo se hai una massa a riposo diversa da zero. 

In teoria, un gravitone sarebbe una particella di spin 2 priva di massa che media la forza gravitazionale. Osservativamente, dall’arrivo delle onde gravitazionali (che a loro volta, se la gravità è quantistica, dovrebbero essere fatte di gravitoni energetici), abbiamo vincoli molto forti su quanto può essere massiccio un gravitone: se ha una massa a riposo, deve essere inferiore a circa ~ 10-55 grammi.

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Ma per quanto piccolo sia quel numero, è coerente solo con la soluzione senza massa; non impone che il gravitone sia privo di massa. In effetti, se ci sono accoppiamenti quantistici a certe altre particelle, può risultare che il gravitone stesso abbia una massa a riposo e, in tal caso, queste particelle possono aggregarsi e raggrupparsi insieme. 

Motivo n. 3: i gravitoni sono già estremamente privi di collisioni. In fisica, ogni volta che hai due quanti che occupano lo stesso spazio contemporaneamente, c’è la possibilità che interagiscano. Se c’è un’interazione, i due oggetti possono scambiarsi quantità di moto e / o energia; potrebbero volare via di nuovo, restare uniti, annichilirsi o creare spontaneamente nuove coppie particella-antiparticella se è presente abbastanza energia. 

Indipendentemente dal tipo di interazione che si verifica, la probabilità cumulativa di tutto ciò che può accadere è descritta da un’importante proprietà fisica: una sezione trasversale di dispersione.

Se la tua sezione trasversale è 0, sei considerato non interagente o completamente privo di collisioni. Se i gravitoni obbediscono alla fisica a cui ci aspettiamo che obbediscano, possiamo effettivamente calcolare la sezione d’urto: è diversa da zero, ma rilevare anche un gravitone è estremamente improbabile.

 Come ha dimostrato uno studio del 2006, un pianeta di massa Giove in orbita stretta attorno a una stella di neutroni interagirebbe con circa un gravitone per decennio, che è abbastanza privo di collisioni da adattarsi al conto per descrivere la materia oscura (la sua sezione trasversale con i fotoni è paragonabilmente ridicola per quanto è minuscolo). Quindi, su questo fronte, i gravitoni non hanno problemi come candidati alla materia oscura.

Motivo n. 4: i gravitoni hanno interazioni con se stessi straordinariamente basse. Una delle domande che vengono poste comunemente è se sia possibile surfare le onde gravitazionali o se, se due onde gravitazionali entrassero in collisione, interagirebbero come onde d’acqua che “schizzano” insieme. 

La risposta alla prima è “no” e la seconda è “sì”, ma a malapena: le onde gravitazionali – e quindi i gravitoni – interagiscono in questo modo, ma l’interazione è così piccola da essere completamente impercettibile.

Il modo in cui quantifichiamo le onde gravitazionali è attraverso la loro ampiezza di deformazione, o la quantità con cui un’onda gravitazionale che passa farà “increspare” lo spazio stesso quando le cose lo attraversano. Quando due onde gravitazionali interagiscono, la porzione principale di ciascuna onda viene semplicemente sovrapposta all’altra, mentre la porzione che fa qualcosa di diverso dal passarsi l’una nell’altra è proporzionale all’ampiezza della deformazione di ciascuna moltiplicata insieme.

Dato che le ampiezze di deformazione sono tipicamente cose come ~ 10-20 o inferiori, il che di per sé richiede uno sforzo enorme per rilevarle, diventare più sensibili di 20+ ordini di grandezza è virtualmente inimmaginabile con i limiti della tecnologia attuale. Qualunque altra cosa possa essere vera sui gravitoni, le loro interazioni personali possono essere ignorate.

Ma alcune delle proprietà dei gravitoni rappresentano una sfida per loro per essere un possibile candidato della materia oscura. In effetti, ci sono due principali difficoltà che i gravitoni devono affrontare e perché sono raramente considerati opzioni convincenti.

Difficoltà # 1: è molto difficile generare gravitoni “freddi”. Nel nostro universo, qualsiasi particella esistente avrà una certa quantità di energia cinetica e quell’energia determina la velocità con cui si muovono attraverso l’Universo. Man mano che l’Universo si espande e queste particelle viaggiano attraverso lo spazio, accadrà una delle due cose:

  • o la particella perderà energia quando la sua lunghezza d’onda si allunga con l’espansione dell’Universo, che si verifica per le particelle prive di massa,
  • oppure la particella perderà energia al diminuire della distanza che può percorrere in un dato periodo di tempo, a causa delle distanze sempre crescenti tra due punti, se si tratta di una particella massiccia.

Ad un certo punto, indipendentemente da come è nata, tutte le particelle massicce alla fine si muoveranno lentamente rispetto alla velocità della luce: diventando non relativistiche e fredde.

L’unico modo per ottenere ciò, per una particella con una massa così bassa (come avrebbe un gravitone massiccio), è farla “nascere fredda“, dove accade qualcosa per crearla con una quantità trascurabile di energia cinetica, nonostante abbia una massa che deve essere inferiore a 10-55 grammi. 

La transizione che li ha creati, quindi, deve essere limitata dal principio di indeterminazione di Heisenberg: se il loro tempo di creazione si verifica su un intervallo inferiore a circa 10 secondi, l’incertezza energetica associata sarà troppo grande per loro e saranno relativistiche.

In qualche modo, forse con somiglianze con la generazione teorica dell’assione, devono essere creati con una quantità estremamente piccola di energia cinetica e tale creazione deve avvenire per un periodo di tempo relativamente lungo nel cosmo (rispetto alla piccola frazione- lasso di tempo di un secondo per la maggior parte di tali eventi). 

Non è necessariamente un rompicapo, ma è un ostacolo difficile da superare, che richiede una nuova fisica che non è facile da giustificare.

Difficoltà n. 2: nonostante le nostre speranze teoriche, i gravitoni (e i fotoni e i gluoni) sono tutti probabilmente privi di massa. Finché qualcosa non è stato stabilito sperimentalmente o osservativamente, è particolarmente difficile escludere alternative all’idea guida di come dovrebbe comportarsi. 

Con i gravitoni, come per i fotoni e i gluoni, le uniche altre particelle veramente prive di massa di cui siamo a conoscenza, possiamo solo porre dei vincoli su quanto massicci possono essere. Abbiamo limiti massimi di rigidità variabile, ma non abbiamo modo di vincolarli fino a “zero”.

Quello che possiamo notare, tuttavia, è che se una qualsiasi di queste particelle teoricamente prive di massa ha una massa a riposo diversa da zero, dovremmo fare i conti con una serie di fatti scomodi.

  • La gravità e l’elettromagnetismo, se il gravitone o il fotone sono massicci, non saranno più forze a raggio infinito.
  • Se la particella che trasporta la forza è massiccia, le onde gravitazionali e / o la luce non viaggerebbero a c , la velocità della luce nel vuoto, ma piuttosto a una velocità più lenta che non siamo riusciti a misurare finora.
  • E otterremmo una teoria diversa dalla Relatività Generale nel limite in cui porti a zero la massa del gravitone, una patologia che richiede una serie di ipotesi probabilmente più scomode da eliminare (in particolare, non consentono all’Universo di essere piatto, cosa che osserviamo; solo aperto, e che a sua volta contiene instabilità che potrebbero essere dei rompicapi).

Sebbene l’idea della gravità massiccia abbia suscitato molto interesse negli ultimi dieci anni, anche dai recenti progressi stimolati in gran parte dalla ricerca di Claudia de Rham, rimane un’idea altamente speculativa che potrebbe non essere realizzabile nel quadro di ciò che è già stato stabilito.

Ciò che è straordinario è che non facciamo più domande come “perché la materia oscura non può essere gravitoni?” Invece, ci chiediamo: “se volessimo che la materia oscura fosse gravitoni, quali proprietà avrebbe bisogno di avere?” La risposta, come tutti i candidati alla materia oscura, è che deve essere fredda, senza collisioni, con interazioni personali altamente limitate e massiccia. 

Mentre i gravitoni si adattano sicuramente al concetto di essere privi di collisioni e a malapena auto-interagenti, generalmente si presume che siano privi di massa, non massicci, e anche se fossero massicci, generare versioni fredde dei gravitoni è qualcosa che ancora non sappiamo come fare.

Ma questo non è sufficiente per escludere questi scenari. 

Tutto ciò che possiamo fare è misurare l’Universo al livello in cui siamo in grado di misurarlo e trarre conclusioni responsabili.

Conclusioni che non superano la portata dei nostri limiti sperimentali e osservativi. Possiamo limitare la massa del gravitone e scoprire le conseguenze di ciò che accadrebbe se avesse una massa, ma fino a quando non scopriremo effettivamente la vera natura della materia oscura, dobbiamo mantenere le nostre menti aperte a tutte le possibilità che non sono definitivamente stato escluse. 

Anche se non ci scommetterei, non possiamo ancora eliminare la possibilità che i gravitoni nati freddi siano essi stessi responsabili della materia oscura e costituiscano il 27% mancante della materia dell’Universo che stavamo cercando da tempo. Fino a quando non sapremo qual è la vera natura della materia oscura, dobbiamo esplorare ogni possibilità,

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