Il rumore dei gravitoni è rivelabile attraverso le onde gravitazionali?

Uno stato quantico particolare, chiamato stato coerente spremuto, secondo nuovi calcoli potrebbe generare un rumore di gravitone.

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Molti fisici ritengono che esistano i gravitoni, ma pochi pensano che li vedremo mai. Queste ipotetiche particelle elementari sono una pietra miliare delle teorie della gravità quantistica, che cercano di unire la teoria della relatività generale di Albert Einstein con la meccanica quantistica. Ma sono notoriamente difficili – forse impossibili – da osservare in natura.
Il mondo dei gravitoni diventa evidente solo quando si ingrandisce il tessuto dello spazio-tempo alla scala più piccola possibile, che richiede un dispositivo in grado di sfruttare quantità di energia davvero estreme. Sfortunatamente, qualsiasi dispositivo di misurazione in grado di sondare direttamente fino a questa “lunghezza di Planck” sarebbe necessariamente così massiccio da collassare in un buco nero. “Sembra che la natura vieti qualsiasi misurazione della distanza con un errore inferiore alla lunghezza di Planck“, ha detto Freeman Dyson, il celebre fisico teorico, in un discorso del 2013 in cui presentava un calcolo del limite di questo limite.
E così i gravitoni, secondo il pensiero convenzionale, potrebbero rivelarsi solo nei luoghi più estremi dell’universo: intorno al tempo del Big Bang, o nel cuore dei buchi neri. “Il problema con i buchi neri è che sono neri e quindi non ne esce nulla“, spiega Daniel Holz, un astrofisico dell’Università di Chicago. “E la gravità quantistica potrebbe essere verificabile proprio al centro dei buchi neri”.
Alcuni articoli pubblicati di recente, però, sfidano questo punto di vista, suggerendo che i gravitoni possono creare un “rumore” osservabile nei rivelatori di onde gravitazionali come LIGO, l’Osservatorio di onde gravitazionali con interferometro laser. “Abbiamo scoperto che la confusione quantica dello spazio-tempo è impressa sulla materia come una sorta di jitter“, ha affermato Maulik Parikh , cosmologo presso la Arizona State University e coautore di uno dei lavori .
E mentre non è ancora chiaro se gli osservatori di onde gravitazionali esistenti o anche futuri abbiano la sensibilità necessaria per rilevare questo rumore, questi calcoli hanno reso il quasi impossibile almeno plausibile. Considerando come i gravitoni interagiscono con un rivelatore in massa, hanno dato una solida base teorica all’idea del rumore gravitonico – e hanno portato i fisici un passo avanti verso una prova sperimentale che in fondo, la gravità gioca secondo le regole della meccanica quantistica.

Il jitter dell’onda

Il calcolo del 2013 di Dyson ha convinto molte persone che i rivelatori di onde gravitazionali fossero, nella migliore delle ipotesi, sonde poco pratiche per l’apprendimento della gravità quantistica.
Esiste una sorta di consenso predefinito sul fatto che è una perdita di tempo pensare agli effetti quantistici e alle radiazioni gravitazionali“, ha dichiarato Frank Wilczek, fisico vincitore del premio Nobel del Massachusetts Institute of Technology, coautore del lavoro. In effetti, Wilczek, Parikh e George Zahariade, un cosmologo dello Stato dell’Arizona e il terzo coautore, hanno preso seriamente la possibilità fino a dopo la scoperta delle onde gravitazionali del 2015 da parte di LIGO. “Non c’è niente come risultati sperimentali reali per focalizzare l’attenzione“, ha spiegato.

Si pensa che i gravitoni trasportino la forza di gravità in un modo simile a come i fotoni trasportano la forza elettromagnetica. Proprio come i raggi di luce possono essere raffigurati come una raccolta ben condotta di fotoni, le onde gravitazionali – increspature nello spazio-tempo create da violenti processi cosmici – sono ritenute costituite da gravitoni. Con questo in mente, gli autori hanno chiesto se i rivelatori di onde gravitazionali sono, in linea di principio, abbastanza sensibili da vedere i gravitoni.
A differenza di Dyson, il cui calcolo si concentrava su un singolo gravitone, il nuovo lavoro considera gli effetti di molti gravitoni. “Siamo sempre stati ispirati dal moto browniano“, ha detto Parikh, riferendosi al dondolio e ai movimenti casuali di particelle microscopiche in un fluido. Einstein usò il moto browniano per dedurre l’esistenza di atomi, che bombardano le particelle microscopiche. Allo stesso modo, il comportamento collettivo di molti gravitoni potrebbe rimodellare sottilmente un’onda gravitazionale.
I rivelatori di onde gravitazionali possono, nella loro forma più semplice, essere considerati come due masse separate da una certa distanza. Quando passa un’onda gravitazionale, questa distanza aumenta e diminuisce quando l’onda si allunga e schiaccia lo spazio tra le masse. Aggiungere i gravitoni nel mix, tuttavia, aggiunge un nuovo movimento sopra le solite increspature nello spazio-tempo. Mentre il rivelatore assorbe ed emette gravitoni, le masse oscillano in modo casuale. Questo è il rumore gravitonico.
Quanto è grande il jitter e quindi se può essere rilevato, dipende in ultima analisi dal tipo di onda gravitazionale che colpisce il rivelatore.
I campi gravitazionali esistono in diversi “stati quantistici“, a seconda di come sono stati creati. Molto spesso, un’onda gravitazionale viene prodotta in uno “stato coerente“, che è simile alle increspature su uno stagno. Rivelatori come LIGO sono sintonizzati per cercare queste onde gravitazionali convenzionali, che vengono emesse da buchi neri e stelle di neutroni mentre si muovono a spirale l’una attorno all’altra e si scontrano.
Anche le onde gravitazionali coerenti producono rumore gravitonico, ma – come ha scoperto anche Dyson – è troppo piccolo per essere misurato. Questo perché il jitter creato mentre il rivelatore assorbe i gravitoni è “squisitamente bilanciato” con il jitter creato quando emette gravitoni, come ha spiegato Wilczek, che sperava che il loro calcolo avrebbe portato a un rumore maggiore per gli stati coerenti. “È stato un po ‘deludente“, ha detto.
Imperterriti, Parikh, Wilczek e Zahariade hanno esaminato molti altri tipi di onde gravitazionali che Dyson non aveva considerato. Hanno scoperto che uno stato quantico in particolare, chiamato stato coerente spremuto, produrrebbe un rumore di gravitone molto più pronunciato. In effetti, Parikh, Wilczek e Zahariade hanno scoperto che il rumore aumenta esponenzialmente tanto più i gravitoni vengono spremuti.
La loro esplorazione teorica suggerisce – contro l’opinione prevalente – che il rumore gravitonico sia, in linea di principio, osservabile. Inoltre, rilevare questo rumore permettere ai fisici di individuare le fonti esotiche che potrebbero creare onde gravitazionali schiacciate.
Abbiamo sempre avuto l’idea che i gravitoni bombardino i rivelatori in qualche modo, e quindi ci debba essere un po ‘di jitter“, ha detto Parikh. “Ma“, ha aggiunto Zahariade, “quando abbiamo capito come si presenta matematicamente questo termine di rumore gravitonico, è stato un momento bellissimo“.
I calcoli sono stati elaborati in tre anni e sono sintetizzati in una recente pubblicazione. Il documento che descrive la serie completa di calcoli è attualmente in fase di peer review.
Tuttavia, mentre la luce spremuta viene abitualmente prodotta in laboratorio non è ancora noto se esistano onde gravitazionali spremute. Wilczek sospetta che le fasi finali delle fusioni di buchi neri, in cui i campi gravitazionali sono molto forti e cambiano rapidamente, potrebbero produrre questo effetto schiacciante. L’inflazione – un periodo nell’universo primordiale in cui lo spazio-tempo si è espanso molto rapidamente – potrebbe anche portare a una compressione. Gli autori ora progettano di costruire modelli precisi di questi eventi cosmologici e delle onde gravitazionali che emettono.
Questo apre le porte a calcoli molto difficili che saranno una sfida da portare al termine“, ha detto Wilczek. “Ma la buona notizia è che diventa davvero interessante e potenzialmente realistico come obiettivo sperimentale“.

Un frullato di ologramma

Piuttosto che guardare alle fonti quantistiche nel cosmo, altri fisici sperano di vedere il rumore gravitonico direttamente nel vuoto gorgogliante dello spazio-tempo, dove le particelle esplodono fugacemente nell’esistenza e poi scompaiono.
Quando appaiono, queste particelle virtuali fanno deformare delicatamente lo spazio-tempo attorno a loro, creando fluttuazioni casuali note come schiuma spazio-temporale.
Questo mondo quantistico potrebbe sembrare inaccessibile alla sperimentazione. Ma non lo è – se l’universo obbedisce al “principio olografico“, in cui il tessuto dello spazio-tempo emerge nello stesso modo in cui un ologramma 3D emerge da un modello 2D. Se il principio olografico è vero, particelle quantistiche come il gravitone vivono sulla superficie di dimensione inferiore e codificano la forza di gravità familiare nello spazio-tempo di dimensione superiore.
In tale scenario, gli effetti della gravità quantistica possono essere amplificati nel mondo quotidiano da esperimenti come LIGO. Un recente lavoro di Verlinde e Kathryn Zurek, un fisico teorico del California Institute of Technology, propone di utilizzare LIGO o un altro interferometro sensibile per osservare il vuoto gorgogliante che circonda lo strumento.
In un universo olografico, l’interferometro si trova nello spazio-tempo di dimensione superiore, che è strettamente avvolto in una superficie quantistica di dimensione inferiore. Sommando le piccole fluttuazioni sulla superficie si crea un rumore abbastanza grande da essere rilevato dall’interferometro. “Abbiamo dimostrato che gli effetti dovuti alla gravità quantistica non sono determinati solo dalla scala di Planck, ma anche dalla scala [dell’interferometro]“, ha affermato Verlinde.
Se le loro ipotesi sul principio olografico saranno confermate, il rumore gravitonico diventerà un bersaglio sperimentale per LIGO, o anche per un esperimento da tavolo. Nel 2015 presso il National Accelerator Laboratory del Fermilab, un esperimento da tavolo chiamato Holometer ha cercato prove che l’universo sia olografico. “Le idee teoriche a quel tempo erano molto primitive“, ha detto Verlinde, osservando che i calcoli nel suo articolo con Zurek si basano sui metodi olografici più approfonditi sviluppati da allora. Se i calcoli consentiranno ai ricercatori di prevedere con precisione l’aspetto del rumore gravitonico, le loro probabilità di scoprirlo saranno migliori, anche se ancora piuttosto improbabili.
L’approccio di Zurek e Verlinde funzionerà solo se il nostro universo è olografico, una congettura tutt’altro che consolidata. Del resto, non capiamo la gravità quantistica.

Territorio non mappato

Al contrario, il calcolo di Parikh, Wilczek e Zahariade si basa su una fisica con la quale pochi sarebbero in disaccordo. “Abbiamo fatto un calcolo molto conservativo, che è quasi certamente corretto“, ha detto Parikh. “Presuppone essenzialmente che esista qualcosa chiamato gravitone e che la gravità possa essere quantizzata“.
Ma il trio riconosce che è necessario eseguire più legwork teorici prima di sapere se i rilevatori di onde gravitazionali attuali o futuri possano scoprire il rumore di gravitone. Non solo l’universo deve ospitare fonti esotiche che creano onde gravitazionali spremute, ma il rumore gravitonico deve essere distinguibile dalle molte altre fonti di rumore a cui LIGO è già soggetto.
Finora, LIGO non ha mostrato alcun segno di una fisica che rompa con le previsioni della relatività generale di Einstein“, ha detto Holz, che è membro della collaborazione LIGO. “Ecco da dove iniziare: la relatività generale è sorprendente“. Tuttavia, i rivelatori di onde gravitazionali sono la nostra migliore speranza per fare nuove scoperte fondamentali sull’universo, perché il terreno è “completamente inesplorato”.
Wilczek sostiene che se i ricercatori sviluppano una comprensione di come potrebbe apparire il rumore del gravitone, i rilevatori di onde gravitazionali possono essere regolati per migliorare le possibilità di trovarlo (Holz ha chiarito che i ricercatori di LIGO hanno già studiato alcuni possibili segnali di rumore cosmico).
Fonte: Quanta Magazine
Traduzione ed adattamento di Massimo Zito

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