Se cree ampliamente que la cuantificación de la gravedad produce gravitones, partículas de energía discreta que forman ondas gravitacionales. Pero hasta ahora se ha considerado imposible detectarlas. Sin embargo, una nueva propuesta experimental sugiere que detectar el gravitón es mucho más fácil de lo que nadie imaginaba.
La gravedad cambia en el espacio y el tiempo
Los gravitones son las partículas que forman la gravedad. Hace más de un siglo, Einstein explicó que la gravedad cambia en el espacio y el tiempo. La gravedad ha mostrado efectos sorprendentes, como la ralentización del tiempo, las ondas gravitacionales y los agujeros negros.
Pero la gravedad es única, solo conocemos su versión básica, mientras que otras fuerzas se explican mediante la teoría cuántica. Los científicos llevan mucho tiempo intentando combinar la gravedad con la mecánica cuántica, pero sigue siendo un enigma sin resolver.
Se espera que en cualquier teoría cuántica de la gravedad existan ciertas partículas individuales indivisibles. Estas elusivas partículas han sido bautizadas como gravitones.
En el pasado, detectar uno se consideraba imposible
Los portadores de fuerza son como los mensajes que se intercambian entre partículas. El más conocido de esta familia cuántica es el fotón, que es el portador de fuerza del electromagnetismo, pero las fuerzas nucleares fuerte y débil también tienen como portadores de fuerza al gluón y a los bosones w y z, respectivamente. La gravedad es la única de las cuatro fuerzas fundamentales cuyo portador de fuerza, el gravitón, nunca ha sido observado directamente.
Pero, un equipo dirigido por el profesor de física de Stevens, Igor Pikovski, ha propuesto una forma de detectar gravitones individuales en un experimento de detección cuántica. Su método implica combinar una tecnología de detección física existente denominada resonador acústico, básicamente un cilindro pesado, con métodos mejorados de detección de estados de energía.
Esta solución es similar al efecto fotoeléctrico. Al igual que las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales interactúan con la materia en pasos discretos.
¿Cómo se puede detectar el misterioso gravitón?
Una idea del equipo es utilizar datos de LIGO, el observatorio estadounidense que ha confirmado la existencia de ondas gravitacionales. Si bien LIGO es excelente para detectar ondas gravitacionales, no puede captar gravitones individuales. Sin embargo, al correlacionar los datos de LIGO con el detector que sugiere, se podría aislar y detectar gravitones individuales.
También utilizaron los últimos avances tecnológicos a su favor. Las cosas han cambiado recientemente: los científicos ahora están observando efectos cuánticos en objetos grandes. Estos objetos cuánticos macroscópicos son perfectos para detectar firmas de gravitones individuales porque interactúan más fuertemente con la gravedad y muestran cambios de energía en pasos discretos.
Están diseñando un experimento utilizando datos de ondas gravitacionales medidas en la Tierra, como las de la colisión de estrellas de neutrones de 2017. Calculan las mejores condiciones para maximizar la probabilidad de absorber un solo gravitón.
Descubrieron que las mediciones se podían realizar utilizando un dispositivo similar a la barra Weber. Las barras Weber son barras cilíndricas gruesas y pesadas (hasta una tonelada) que reciben el nombre de su inventor. Debido a la aparición de tecnologías de detección basadas en la óptica, es menos probable que estas barras se utilicen en estudios recientes. Esto se debe a que pueden absorber y emitir gravitones, en analogía directa con lo que Einstein denominó la “emisión y absorción estimuladas” de fotones, los bloques de construcción más pequeños de la luz.
Se enfriaría un nuevo detector cuántico hasta su nivel de energía más bajo y luego se lo haría vibrar levemente al pasar ondas gravitacionales. Unos sensores de energía extremadamente sensibles podrían detectar estas vibraciones como cambios discretos o saltos cuánticos, que señalarían la presencia de un solo gravitón.