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Acorralado el gravitón: la perseguida partícula que explicaría la atracción gravitatoria

Autor: Francisco José Torcal Milla Profesor Titular. Departamento de Física Aplicada. Centro: EINA. Instituto: I3A, Universidad de Zaragoza ¡Atención! ¡Atención! El escurridizo gravitón puede haber sido acorralado, según cuentan Jiehui Liang, de la Universidad de Nanjing, y sus colaboradores, en...

9 de abril, 2024

The Conversation

Autor: Francisco José Torcal Milla Profesor Titular. Departamento de Física Aplicada. Centro: EINA. Instituto: I3A, Universidad de Zaragoza

¡Atención! ¡Atención! El escurridizo gravitón puede haber sido acorralado, según cuentan Jiehui Liang, de la Universidad de Nanjing, y sus colaboradores, en un artículo publicado en Nature. Pero ¿a qué viene tanta admiración? Pues a que dar con el gravitón supone entender la incomprendida gravedad desde el punto de vista de la física de partículas.

Tiene nombre de villano. En los cómics estadounidenses de Marvel, un investigador llamado Franklin Hall consigue controlar la gravedad. Corrompido por tantísimo poder, se convierte en un supervillano. A Gravitón, el supervillano, le persiguen los Vengadores. A la partícula subatómica quieren darle caza físicos experimentales de todo el planeta.

Estos son algunos de los superpoderes de Gravitón que, desde la ficción, ayudan a entender el significado de encontrar en la realidad a la, por el momento hipotética, partícula subatómica. Gravitón puede aplastar a sus enemigos contra el suelo, haciéndoles demasiado pesados para moverse; puede usar sus poderes para alterar la trayectoria de cualquier onda, como las ondas de radio o la luz; puede detectar a cualquier persona (objeto) del planeta según su propia “firma gravitatoria” única e individual. Puede hacer que la Tierra gire o que no gire; que gire el Sol, o que no gire. Gravitón lo puede todo y, fundamentalmente, puede explicarlo todo. ¡Wow!

Acorralado

En la vida real, en el laboratorio, Jiehui Liang y su equipo han acorralado al gravitón, una partícula a día de hoy hipotética que cerraría el círculo –o la esfera– de la mecánica cuántica.

Concretamente, lo que han logrado ha sido observar por primera vez, en una delgada capa de semiconductor, el comportamiento que se presupone al hipotético gravitón. Lo han conseguido excitando sus electrones bajo condiciones extremas de temperatura y campo magnético. De este modo han visto que el comportamiento de los electrones en conjunto es similar al que la física teórica predice que tendría un gravitón.

Por lo tanto, no han encontrado un gravitón en sí mismo. Pero desde luego es lo más cerca que se ha estado nunca de observar algo con su mismo comportamiento desde que se propuso su existencia en la década de 1930.

Los cuatro poderes: las fuerzas fundamentales de la naturaleza

Décadas de persecuciones en el territorio de la física han permitido dar con las partículas que hacen posible tres de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. La que falta es la que hace posible la gravedad.

Dos de ellas tienen lugar en el estrecho interior de los átomos. Tanto la interacción nuclear fuerte como la interacción nuclear débil son fuerzas de muy corta distancia. Solo tienen magnitud apreciable a distancias dentro del núcleo atómico (en torno a 1 Ångström).

La primera de ellas es la encargada de mantener unidos a los nucleones (neutrones y protones) en el núcleo del átomo. La partícula que transporta esta interacción es el gluón, que se descubrió en el CERN en 1979.).

La segunda de ellas es la responsable de la desintegración radiactiva del núcleo atómico, desencadenando la fisión nuclear. En este caso, las partículas encargadas de esta interacción son los bosones W y Z, mucho más pesados que los nucleones y con una vida media extremadamente corta.

En tercer lugar tenemos a la interacción electromagnética. Esta estuvo dividida en dos, la eléctrica y la magnética, hasta que, en 1831, Michael Faraday encontró una relación entre ambas. Ese hallazgo desembocó en uno de los grandes pilares de la tecnología, la inducción electromagnética, y en la unificación de ambas fuerzas por parte de James Clerk Maxwell en 1873. La partícula portadora de esta interacción es el fotón, más conocida por el público que sus colegas bosones de las interacciones nucleares débil y fuerte.

La fuerza gravitatoria

La cuarta interacción fundamental de la naturaleza es la gravitatoria, probablemente la más cercana a la vida cotidiana.

Modelo estándar de las partículas elementales.

Todo objeto en el universo genera –y a la vez está sujeto a– atracción gravitatoria simplemente por el hecho de tener masa. Si bien esta interacción también fue descrita por Albert Einstein de una manera magistral como una perturbación en el espacio-tiempo en su teoría de la relatividad general, el modelo estándar de la física de partículas sostiene la existencia de una partícula que sería la portadora de la interacción gravitatoria. A esa partícula se le conoce como gravitón.

El gravitón debe ser un bosón

El gravitón fue propuesto por un grupo de científicos en la década de 1930 con la esperanza de poder aunar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza en un sólo modelo, hasta ahora sin éxito. El hipotético gravitón debía ser un bosón de espín 2 sin carga eléctrica. Pero ¿qué significa esto exactamente?

En primer lugar, los bosones son las partículas encargadas de transportar las interacciones. De hecho, ya hemos nombrado algunos bosones como el fotón, el gluón y las partículas W y Z.

Albert Einstein (padre de la teoría general de la relatividad) y Wolfgang Pauli (uno de los padres de la mecánica cuántica) en Princeton.

Además, todas ellas tienen espín entero y no están sujetas al principio de exclusión de Pauli. El espín tiene que ver con el momento angular de la partícula. Algo así como la cantidad de movimiento de rotación que posee la partícula, que es mayor para momentos de inercia mayores y/o velocidades de rotación elevadas.

Por otra parte, el principio de exclusión de Pauli, que se aplica únicamente al otro gran grupo de partículas de la naturaleza, los fermiones, implica que en un sistema cuántico no puede haber dos fermiones con los mismos cuatro números cuánticos (principal, azimutal, magnético y de espín). El caso más cercano es el de los electrones en un átomo, que ocupan lugares en los orbitales de forma que no coincidan los cuatro números cuánticos.

¿Por qué no hemos sido capaces de observar un gravitón?

Según los cálculos de algunos expertos, se ha estimado una cota superior para la masa del gravitón de 1,6 × 10⁻⁴⁶ kg, (cien billones de cuatrillones de veces más ligero que un electrón) aunque podría ser estrictamente cero.

La razón por la cual resulta imposible detectar gravitones individuales es debido a la minúscula probabilidad que poseen para interaccionar con la materia. Según Rothman y Boughn, resultaría imposible observar un gravitón con cualquier experimento que pudiéramos imaginar al alcance de la tecnología y el conocimiento humano actual.

Lawrence Krauss y Frank Wilczek (premio Nobel de Física en 2004) sugirieron en 2014 la detección de cambios mínimos en la radiación cósmica de fondo del universo como vía para identificar los efectos de los gravitones, aunque no llegó a fructificar.

No es un gravitón pero se le parece

Lo que han observado el doctor Liang y sus colegas no es un gravitón, pero se le parece. Se trata de un modo de fluctuación frente a excitación equivalente a un gravitón que presenta quiralidad (propiedad de no ser superponible con su imagen especular. Como ejemplo sencillo, la mano izquierda humana no es superponible con su imagen especular.

Han utilizado lo que en física conocemos como dispersión inelástica resonante de luz circularmente polarizada. Con esto han observado en líquidos las excitaciones colectivas de baja energía de los electrones. Y se ha producido un efecto Hall cuántico fraccionario. Es un ejemplo de los extraños fenómenos que pueden surgir cuando las partículas pasan de comportarse como unidades individuales a actuar juntas como un todo.

En este proceso, han observando por primera vez modos gravitónicos que resultan ser los análogos de materia condensada a los gravitones.

Un campo mágnético 100 000 veces mayor que el de la Tierra

Para conseguirlo, el semiconductor debía situarse a escasas décimas por encima del cero absoluto de temperatura, así como someterse a un campo magnético 100 000 veces mayor que el campo magnético terrestre, con lo que la instalación tardó en fabricarse tres años.

Este descubrimiento ofrece una vía de conciliación de las dos grandes teorías de la física, la mecánica cuántica y la relatividad general, abriendo también nuevas posibilidades en el ámbito de la computación cuántica.

¡A dominar la gravedad como Gravitón!

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