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 m_g < 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 powinnien 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.

Praca oryginalna: Graviton mass from X-COP galaxy clusters; Aleksandra Piórkowska-Kurpas, Shuo Cao, MarekBiesiada; Journal of High Energy Astrophysics Volume 33, March 2022, Pages 37-43; https://doi.org/10.1016/j.jheap.2022.01.001