Le graviton 

Le graviton est une particule élémentaire hypothétique qui serait le médiateur de l'interaction gravitationnelle dans les théories de la gravité quantique.

Sur le plan conceptuel, le graviton joue pour la gravitation un rôle comparable à celui du photon pour l'électromagnétisme.

Dans le Modèle standard de la physique des particules :

• l'interaction électromagnétique est médiée par le photon
• l'interaction faible par les bosons W et Z
• l'interaction forte par les gluons

La gravitation fait toutefois exception. À l'échelle macroscopique, elle est décrite par la relativité générale d'Albert Einstein, une théorie classique qui n'a pas encore trouvé de formulation quantique complète et cohérente.

La notion de graviton s'inscrit dans l'effort visant à quantifier la gravité, c'est-à-dire à la décrire à l'aide des mêmes outils conceptuels et mathématiques que ceux employés pour les autres interactions fondamentales. Dans cette perspective, le graviton apparaît comme un possible lien conceptuel entre la relativité générale et la mécanique quantique.

Si son existence était confirmée expérimentalement, le graviton constituerait une avancée majeure vers une description unifiée des interactions fondamentales de la nature.

À ce jour cependant, et contrairement aux autres médiateurs fondamentaux, le graviton n'a jamais été observé expérimentalement. Il reste donc, pour l'instant, un objet purement théorique.

Propriétés physiques théorisées du graviton

Les modèles théoriques actuels attribuent au graviton plusieurs propriétés caractéristiques :

• Spin 2
  Le graviton doit posséder un spin égal à 2. Cette propriété découle directement de la nature de l'interaction gravitationnelle. Alors que l'électromagnétisme est associé à une source vectorielle, la gravitation est liée au tenseur énergie-impulsion, un tenseur symétrique de rang deux. Une interaction couplée à l'énergie, à la masse, à la pression et aux flux d'énergie exige donc un médiateur plus complexe qu'un boson de spin 1.
• Absence de masse
  Le graviton est généralement supposé être une particule de masse nulle. Cette hypothèse repose sur deux arguments indépendants. D'une part, la gravitation a une portée infinie. D'autre part, les ondes gravitationnelles se propagent dans le vide à la vitesse de la lumière. Or seules les particules sans masse peuvent atteindre cette vitesse, ce qui conduit naturellement à l'hypothèse d'un graviton sans masse.

  Note. En principe, le graviton pourrait néanmoins posséder une masse extrêmement faible mais non nulle. Les observations expérimentales imposent toutefois une limite supérieure : \[ m_g \lesssim 1{,}76 \times  \ 10^{-23} \text{eV}/c^2 \] Cette valeur reste compatible, compte tenu des incertitudes expérimentales, avec une masse nulle. L'hypothèse d'un graviton massif a également été envisagée comme une possible explication de la dynamique observée des galaxies sans faire appel à la matière noire.

• Charge et stabilité
  Le graviton ne possède ni charge électrique ni charge de couleur et il est supposé être stable. Il est ainsi neutre vis-à-vis de l'ensemble des interactions décrites par le Modèle standard.

Origine historique du concept

Dès le XIXᵉ siècle, Pierre-Simon Laplace avait envisagé la possibilité que la gravitation se propage à vitesse finie au moyen d'entités intermédiaires, bien que ces idées relèvent encore d'un cadre strictement classique.

Avec le développement de la théorie quantique, les physiciens ont commencé à interpréter le graviton comme le quantum élémentaire de la gravité. À l'échelle microscopique, la force qui nous maintient liés à la Terre résulterait alors d'un échange continu de tels quanta. De manière analogue, une onde gravitationnelle peut être comprise comme un état cohérent constitué d'un très grand nombre de gravitons, tout comme la lumière peut être décrite comme un flux de photons.

Une première idée de rayonnement gravitationnel quantifié apparaît déjà dans un article d'Einstein publié en 1916.

Le terme graviton a été introduit en 1934 par Dmitry Blokhintsev et Fyodor Galperin, puis adopté par Paul Dirac en 1959.

Malgré cette longue histoire intellectuelle, le graviton soulève encore aujourd'hui des difficultés théoriques importantes qui restent non résolues.

• Non-renormalisabilité
  Lorsque la relativité générale est quantifiée par une approche perturbative directe, des divergences ultraviolettes apparaissent et ne peuvent être éliminées par les procédures usuelles de renormalisation. La théorie perd alors son pouvoir prédictif à l'échelle de Planck et les calculs deviennent incontrôlables. Il s'agit de l'obstacle principal à la construction d'une théorie quantique des champs cohérente du graviton.
• Le rôle de la théorie des cordes
  Dans la théorie des cordes, les entités fondamentales ne sont pas ponctuelles mais décrites comme des objets unidimensionnels. Dans ce cadre, le graviton émerge naturellement comme un mode vibratoire de masse nulle de la corde. Toutefois, malgré sa richesse mathématique, la théorie des cordes ne dispose pas encore de confirmation expérimentale.
• L'impossibilité pratique d'observer un graviton
  La détection d'un graviton est extrêmement difficile en raison de la faiblesse des interactions gravitationnelles aux échelles microscopiques. La section efficace d'interaction entre gravitons et matière est si faible qu'un détecteur d'une masse comparable à celle de Jupiter, placé près d'une étoile à neutrons, l'une des sources gravitationnelles les plus intenses connues, n'enregistrerait en moyenne qu'un graviton tous les dix ans. Des expériences comme LIGO et Virgo détectent des ondes gravitationnelles classiques, et non les quanta individuels qui les composent.

Après près d'un siècle de recherches théoriques, le graviton demeure sans confirmation expérimentale. Son existence n'a pas encore été démontrée.

Et ainsi de suite.