Gravitón

El gravitón es una partícula elemental hipotética que actuaría como mediadora de la interacción gravitatoria en las teorías de la gravedad cuántica.

Desde un punto de vista conceptual, el gravitón desempeña para la gravedad un papel comparable al que cumple el fotón en el electromagnetismo.

En el Modelo Estándar de la física de partículas:

• la interacción electromagnética está mediada por el fotón
• la interacción débil por los bosones W y Z
• la interacción fuerte por los gluones

La gravedad, sin embargo, continúa describiéndose a escala macroscópica mediante la relatividad general de Albert Einstein, una teoría clásica que todavía no ha sido formulada dentro de un marco cuántico.

El concepto de gravitón surge del esfuerzo por cuantizar la gravedad, es decir, por describirla utilizando las mismas herramientas conceptuales y matemáticas que se aplican a las demás interacciones fundamentales. En este sentido, el gravitón representa un posible punto de encuentro entre la relatividad general y la mecánica cuántica.

Si su existencia llegara a confirmarse experimentalmente, el gravitón supondría un paso decisivo hacia una descripción unificada de las interacciones fundamentales de la naturaleza.

Sin embargo, a diferencia de los mediadores de las otras fuerzas fundamentales, el gravitón no ha sido observado experimentalmente. Por el momento, sigue siendo una entidad puramente teórica.

Propiedades físicas teorizadas del gravitón

De acuerdo con los modelos teóricos actuales, se espera que el gravitón presente una serie de propiedades bien definidas:

• Espín 2
  El gravitón debe tener espín 2. Esta característica no es arbitraria, sino que responde a la naturaleza de la interacción gravitatoria. A diferencia del electromagnetismo, cuya fuente es una corriente vectorial, la gravedad está asociada al tensor energía-momento, un tensor de segundo rango. Por ello, una interacción que se acopla a la energía, la masa, la presión y los flujos de energía requiere un mediador más complejo que un bosón de espín 1.
• Sin masa
  Se espera que el gravitón sea una partícula sin masa. Esta predicción se apoya en dos argumentos independientes. Por un lado, la gravedad tiene un alcance infinito. Por otro, las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz. Dado que solo las partículas sin masa, como los fotones, pueden propagarse a esa velocidad en el vacío, se deduce que el gravitón también debe carecer de masa.

  Nota. En principio, el gravitón podría poseer una masa extremadamente pequeña pero distinta de cero. Sin embargo, las observaciones experimentales establecen un límite superior para su masa: \[ m_g \lesssim 1{,}76 \times  \ 10^{-23} \text{eV}/c^2 \] Este límite es compatible, dentro de las incertidumbres experimentales, con una masa nula. La hipótesis de un gravitón con masa finita también se ha propuesto como posible explicación de la dinámica observada de las galaxias sin recurrir a la materia oscura.

• Carga y estabilidad
  El gravitón no posee carga eléctrica ni carga de color y se espera que sea estable. En este sentido, es completamente neutro respecto de todas las interacciones descritas por el Modelo Estándar.

Origen histórico del concepto

Ya en el siglo XIX, Pierre-Simon Laplace especuló sobre la posibilidad de que la gravedad se propagara a una velocidad finita mediante entidades intermedias, aunque estas ideas se desarrollaron todavía dentro de un marco estrictamente clásico.

Con el desarrollo de la teoría cuántica, los físicos comenzaron a interpretar el gravitón como el cuanto elemental de la gravedad. A escala microscópica, la fuerza que nos mantiene ligados a la Tierra surgiría entonces de un intercambio continuo de estos cuantos. De forma análoga a como la luz puede entenderse como un flujo de fotones, una onda gravitacional puede interpretarse como un estado coherente compuesto por un gran número de gravitones.

Una idea temprana de radiación gravitatoria cuantizada ya aparece en un trabajo de Einstein de 1916.

El término gravitón fue introducido en 1934 por Dmitry Blokhintsev y Fyodor Galperin, y más tarde adoptado por Paul Dirac en 1959.

A pesar de esta larga trayectoria intelectual, el gravitón sigue planteando importantes problemas teóricos que aún no han sido resueltos.

• No renormalizabilidad
  Cuando la relatividad general se cuantiza mediante un enfoque perturbativo directo, aparecen divergencias ultravioletas que no pueden eliminarse mediante renormalización. Como consecuencia, la teoría pierde capacidad predictiva a la escala de Planck y los cálculos dejan de estar bajo control. Este problema constituye el principal obstáculo para construir una teoría cuántica de campos coherente del gravitón.
• El papel de la teoría de cuerdas
  En la teoría de cuerdas, las partículas fundamentales no son puntuales, sino que se describen como objetos unidimensionales. Dentro de este marco teórico, el gravitón emerge de manera natural como un modo vibracional sin masa de la cuerda. No obstante, la teoría de cuerdas se enfrenta a importantes dificultades, ya que, pese a su elevada sofisticación matemática, aún no cuenta con confirmación experimental.
• La imposibilidad práctica de observar un gravitón
  La detección de un gravitón resulta extraordinariamente difícil debido a la extrema debilidad de las interacciones gravitatorias a escalas microscópicas. La sección eficaz de interacción entre gravitones y materia es tan pequeña que un detector con una masa comparable a la de Júpiter, situado cerca de una estrella de neutrones, una de las fuentes gravitatorias más intensas conocidas, registraría del orden de un gravitón cada diez años. Experimentos como LIGO y Virgo detectan ondas gravitacionales clásicas, no los cuantos individuales que las componen.

Tras casi un siglo de investigación teórica, el gravitón sigue sin verificación experimental. Su existencia aún no ha sido demostrada.

Y así sucesivamente.