Jak ciężki może być grawiton?
Naukowcy starają się określić własności grawitonu – hipotetycznej cząstki przenoszącej oddziaływanie grawitacyjne. W pracy opublikowanej w czasopiśmie Journal of High Energy Astrophysics prof. Marek Biesiada wraz ze współpracownikami na podstawie analizy 12 gromad galaktyk przedstawili nowe ograniczenie na masę grawitonu. Jest ono o siedem rzędów wielkości silniejsze niż ograniczenia wynikające z obserwacji fal grawitacyjnych.
Ogólna Teoria Względności (OTW) zmieniła nasze wyobrażenia o grawitacji. W myśl OTW, materia zakrzywia czasoprzestrzeń, a wszystkie obiekty, jeśli nie podlegają wpływowi innych, niegrawitacyjnych oddziaływań, to poruszają się w tej zakrzywionej czasoprzestrzeni po szczególnych trajektoriach zwanych geodezyjnymi. Dla niezbyt dużych zakrzywień czasoprzestrzeni i niewielkich prędkości, w porównaniu do prędkości światła, teoria Einsteina odtwarza prawo powszechnego ciążenia Newtona, które z powodzeniem stosujemy nadal do opisu ruchu planet, czy gwiazd w galaktykach.
Wiemy, że pozostałe trzy oddziaływania fundamentalne – długozasięgowe oddziaływanie elektromagnetyczne, oraz oddziaływania słabe i silne rządzące materią na poziomie subatomowym - mają naturę kwantową. W opisie kwantowym oddziaływanie polega na wymianie przenoszącej je cząstki (bozonu). Dla elektromagnetyzmu jest to foton – cząstka światła, kwant fali elektromagnetycznej. Dla oddziaływań silnych i słabych są to odpowiednio gluony oraz bozony Z i W. Od przeszło stu lat fizycy próbują w ten sam sposób spojrzeć na powszechne ciążenie, poszukując kwantowej teorii grawitacji. Przez analogię do innych oddziaływań, hipotetyczną cząstką przenoszącą grawitację miałby być tzw. grawiton. Ze względu na nieskończony zasięg oddziaływań grawitacyjnych słabnących z kwadratem odległości, grawiton – podobnie jak foton – powinien być bezmasowy. Są to jednak tylko przewidywania teoretyczne, które trzeba zweryfikować eksperymentalnie.
Badając własności hipotetycznego grawitonu można postawić pytanie odwrotne: jakie, dające się zaobserwować konsekwencje, powinny się ujawnić w dostępnym nam obrazie Wszechświata i jego dynamiki, gdyby jednak grawiton miał inne cechy niż się spodziewamy – na przykład, gdyby miał bardzo małą, ale jednak niezerową masę? Jeśli dane obserwacyjne – zawsze obarczone niepewnością – pozostają w zgodzie z hipotezą bezmasowego grawitonu, to niepewność związana z tymi danymi pozwala na oszacowanie z góry maksymalnej masy grawitonu, czyli pozwala odpowiedzieć na pytanie jak lekki może być grawiton, by konsekwencje wynikające z jego masy nie kłóciły się jeszcze z danymi obserwacyjnymi. W pracy opublikowanej w czasopiśmie Journal of High Energy Astrophysics prof. Marek Biesiada z NCBJ wspólnie z dr Aleksandrą Piórkowską-Kurpas z Uniwersytetu Śląskiego oraz prof. Shuo Cao z Bejing Normal University uzyskali w ten sposób ograniczenie na masę grawitonu mg < 5·10-29 eV.
Z każdą cząstką związana jest charakterystyczna długość tzw. fali Comptona – odwrotnie proporcjonalna do jej masy – wyjaśnia prof. Marek Biesiada. Im większa masa, tym mniejsza długość tej fali. W przypadku cząstek przenoszących oddziaływania, długość fali Comptona określa zasięg oddziaływania. Zerowa masa oznacza nieskończoną długość fali Comptona, czyli zasięg nieskończony. W przypadku elektromagnetyzmu teoria przewiduje, że foton powinien być bezmasowy. Podobnie jest w przypadku grawitacji. Zatem badania masy grawitonu są w istocie testem teorii. Są testem bardzo istotnym, gdyż niektórzy badacze proponowali teorie modyfikujące OTW, które przewidują, że zasięg oddziaływania grawitacyjnego powinien być skończony. W teoriach takich modyfikacji ulega potencjał Newtonowski: na dużych odległościach siła przyciągania grawitacyjnego maleje szybciej niż z kwadratem odległości.
Obecnie dysponujemy coraz dokładniejszymi pomiarami mas gromad galaktyk w funkcji odległości od centrum. Jest to możliwe dzięki połączeniu obserwacji w promieniach X oraz kosmologicznego promieniowania mikrofalowego, zarejestrowanego przez satelitę Planck.
W naszych badaniach wykorzystaliśmy pomiary mas 12 gromad galaktyk z próbki X-COP, testując możliwe odstępstwa od potencjału Newtonowskiego – dodaje profesor Biesiada. W rezultacie uzyskaliśmy jedno z najsilniejszych ograniczeń górnych na masę grawitonu. Jest ono siedem rzędów wielkości (10 mln razy) silniejsze od ograniczeń dostarczonych z obserwacji fal grawitacyjnych przez detektory LIGO-Virgo.
Naukowcy NCBJ uczestniczą we wszystkich, kluczowych dla kosmologii, toczących się obecnie i planowanych projektach. Będą one z pewnością przynosić nowe, coraz dokładniejsze testy fizyki fundamentalnej.
Komentarze (4)
Antylogik, 16 kwietnia 2022, 13:03
Jaki jest sens pytania o masę grawitonu, skoro nie wiadomo czy w ogóle istnieje? Te analogie z pozostałymi siłami jest fundamentalnie błędne. Wszystkie one dotyczą niewielkich skali, a im mniejsza skala, tym silniejsze oddziaływanie. Podczas gdy w naszym świecie z grawitacją jest na odwrót - im większa skala i większa masa, tym większa grawitacja. Podobieństwo występuje jedynie w szczególnym przypadku, gdy zakrzywienie czasoprzestrzeni jest bardzo duże, czyli w pobliżu czarnej dziury albo w niej samej - wtedy grawitacja działa w mikroskali podobnie jak te pozostałe. Tylko że te pozostałe nie potrzebują krzywej przestrzeni do samoistnienia.
Wyjaśnienie grawitacji jest następujące. Fizyka kwantowa za pomocą bozonu Hicksa wyjaśnia powstanie masy bezwładnej. Masa bezwładna z kolei zakrzywia czasoprzestrzeń, tworząc w ten sposób grawitację. Skoro teoria względności w pełni wyjaśnia naturę grawitacji jako konsekwencję zakrzywienia czasoprzestrzeni, to nie ma sensu wymyślać byty ponad potrzebę, zgodnie z zasadą brzytwy Okhama. Nie ma przecież żadnej sprzeczności między fizyką Newtona, teorią względności i mechaniką kwantową. Ta pierwsza dotyczy ludzkiej rzeczywistości, ta druga makroskali, a ta trzecia mikroskali.
To zupełnie jak w ekonomii: w mikroekonomii analizuje się optymalne zachowania i podejmowanie decyzji poszczególnych jednostek, ale to ma niewiele wspólnego z makroekonomią, w której analizuje się globalnie gospodarkę i poszukuje się rozwiązań problemów globalnych. Suma wszystkich dochodów jednostek składa się oczywiście na dochód narodowy, ale już ich wzajemna interakcja prowadzi do innych wyników i wniosków niż gdyby tych jednostek było kilka. Jednostka z jednej strony może niewiele w stosunku do masy, ale ma pewną przewagę: może przewidywać i racjonalnie reagować (teoria gier). Masa jest uwiązana: każdy patrzy na innego i nie wie co kto zrobi. Tak jak w dylemacie więźnia uwięzione jednostki podejmą decyzję gorszą dla siebie, tylko dlatego, że nie mogą ze sobą współpracować, stąd minimalizują straty albo ryzyko.
Nieobserwowane cząstki zachowują się jak fale, bo nie są uwiązane przez inne cząstki. Są elastyczne, mogą podejmować wiele decyzji na raz, nie obowiązuje ich logika klasyczna - mogą używać logiki rozmytej albo parakonsystentnej. Kiedy są obserwowane, to znaczy, że dołączają do niej inne cząstki i reakcja pierwszej musi już uwzględniać jej istnienie.
Dopiero przy dużych masach zaczyna odgrywać rolę zakrzywienie przestrzeni, a to powoduje dalsze konsekwencje. Czyli grawitację. Nie jest potrzebny do tego abstrakcyjny grawiton. Nie mówiąc już o skrajnie abstrakcyjnej jego masie.
ex nihilo, 17 kwietnia 2022, 04:50
Wcale się nie dziwię, że przez 15 godzin nikt się za to nie zabrał
bo mi się też nie chce
Eco_PL, 17 kwietnia 2022, 12:10
thikim, 18 kwietnia 2022, 22:14
Całość badania sprowadza się do ustalenia nowego odgórnego limitu na masę grawitonu.
a to wielkie założenie - to kolejny problem jest z tym że fala grawitacyjna wedle wszystkich pomiarów osiąga prędkość c - co jest cechą cząstek bezmasowych.
Calość wszystkich tytułów jakie się pojawiły w necie sprowadza się do clickbajtów sugerujących że grawiton ma masę.
Mimo pewnej odmienności oddziaływania grawitacyjnego vs pozostałe - są i też pewne podobieństwa.
I te podobieństwa idąc chociażby oddziaływaniem EM sugerują że istnienie grawitonu to jest kwestia pomiaru w zakresie fizyki kwantowej gdzie do detekcji potrzeba jak do tanga dwojga: fali grawitacyjnej i układu detektora.
Jak do tego dodamy różnicę w sile oddziaływania ok. 40 rzędów wielkości to nie powinno dziwić że nigdy żaden grawiton nie zostanie zaobserwowany bo nie są nam znane takie warunki we wszechświecie które by prowadziły do zauważalnego iloczynu amplitudy fali grawitacyjnej i czułości detektora grawitonów.
Zakładając jednak że grawitony istnieją