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El gravitón, la partícula subatómica que se ansía descubrir

El gravitón, la partícula subatómica que se ansía descubrir

Equipo de Expertos en Ciencia y Tecnología

El gravitón, tal y como ocurrió con otras partículas subatómicas en su momento, se define como un constituyente elemental hipotético de la materia. Es probable que, con el avance de la tecnología y las teorías cuánticas, se pueda demostrar empíricamente su existencia.

Algo similar pasó con el fotón o los bosones, que ahora encajan en el modelo estándar de la física de partículas. ¿Por qué las teorías predicen su existencia? ¿Qué carreras lo pueden estudiar y dónde? En este post analizamos en profundidad estas cuestiones.

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En contexto

Antes de que entremos de lleno en el tema, es importante indicar que el comienzo del siglo XXI ha sido testigo del apuntalamiento de dos modelos estándar en física fundamental:

  • El modelo estándar (SM) de física de partículas, al que pertenece la “existencia” de los gravitones.
  • El modelo ΛCDM de la cosmología.

Los dos modelos han resistido muchas pruebas durante décadas y están respaldados por una enorme cantidad de mediciones y observaciones extremadamente precisas. En la actualidad, ambos constituyen la línea base para la comprensión del universo. Sin embargo, aún quedan muchas preguntas por resolver.

¿Qué es el gravitón (G)?

La existencia de esta hipotética partícula se ha teorizado desde los años 30 del siglo pasado. En este sentido, se le adjudicó la función de transmitir la interacción gravitatoria sobre la base del comportamiento de algunas fuerzas:

  • El fotón se ocupa de la interacción electromagnética.
  • El gluon regula la interacción nuclear fuerte.
  • Los piones son los responsables de la interacción nuclear fuerte residual.
  • Los bosones W y Z se encargan de la interacción nuclear débil.

Siguiendo esta línea, el gravitón sería la partícula básica para la interacción de la gravedad. Aunque todavía no existe una teoría cuántica completa para la gravedad, distintos grupos de físicos trabajan con diversas ideas con el objetivo de resolver todas las incógnitas.

En algunos aspectos, la fuerza gravitatoria tiene una conducta sorprendentemente similar a la electromagnética. ¿Podría regirse por leyes físicas parecidas y poseer su propia partícula? Por analogía con la fuerza electromagnética (que se transfiere de un cuerpo a otro a través de fotones), se especula que la interacción gravitacional se debe transmitir por medio de gravitones.

¿Qué es un gravitón en la teoría cuántica de la gravitación?

Cuando se descubrieron, el bosón de Higgs o los fotones eran partículas hipotéticas. No obstante, encajaban en el modelo estándar de la física de partículas (SM). Con el paso del tiempo y las constantes mejoras en los aceleradores, se han consolidado sus características y funciones.

En la actualidad, todavía hay un gran número de partículas subatómicas que no se han detectado de manera experimental, aunque las teorías predicen su existencia y sus características.

En el caso de los gravitones, varias investigaciones intentan obtener evidencias indirectas de su existencia. Por su parte, otras teorías (supercuerdas, dimensiones extras, teoría de lazos...) tratan de prever sus propiedades. Estas investigaciones nos permiten inferir qué es el gravitón y cuáles son sus principales características:

  • Se trata de un bosón con un spin entero.
  • Su masa está por debajo de los 1,6 x 10⁼⁶⁶ g, aunque algunos científicos proponen que sea totalmente cero. Esta es una de las dificultades para detectarla, ya que implica la existencia de una cantidad de energía mínima.
  • Viaja a la velocidad de la luz entre un cuerpo y otro (como el fotón) "transportando" la gravedad.
  • Los gravitones deben tener un spin de 2 dentro de la física cuántica, ya que la gravedad es un campo tensorial de segundo orden.
  • La fuerza gravitatoria tiene un alcance infinito y se transmite a 300 000 km/s.
  • Opera de una manera similar al fotón.
  • Carece de carga eléctrica.

Detectar a los gravitones es un proceso arduo y complejo, precisamente debido a que la gravedad es muy débil y estas partículas interactúan de forma sutil con la materia. Por ejemplo, el ojo humano puede captar algunos fotones, pero millones de gravitones en una onda gravitacional apenas mueven al equipo tecnológico más sofisticado.

Otras partículas subatómicas que pueden existir en el universo

Diferentes teorías modernas y las mejoras en los aceleradores de partículas, como el LHC (Large Hadron Collider) parecen indicar la existencia del gravitón. No obstante, hay otras partículas cuya presencia no se ha podido defender tan enérgicamente por carecer de evidencia científica. En los siguientes apartados analizamos algunas de las que se han propuesto dentro de los modelos teóricos.

Taquión

Tratar de entender a los taquiones podría caer en el campo de la ciencia ficción, así de increíbles son. Se empezó a hablar de ellos a principios del siglo pasado, aunque no fue hasta 1967 cuando Gerald Feinberg les puso está denominación. Es otra partícula subatómica hipotética que podría romper el principio de causalidad y permitir los viajes en el tiempo. ¿Por qué?

Pues porque esta partícula debería moverse más rápido que la luz, tal y como establecen algunas versiones de la teoría de cuerdas. Matemáticamente, es posible encajar a los taquiones en la teoría cuántica de campos. Sin embargo, estas partículas superlumínicas no podrían observarse. Además, según la teoría de la relatividad de Einstein, poseerían una masa y tiempo propios imaginarios.

Esleptón y squark

Durante la década de los 80, se extendió una teoría muy popular que establecía la existencia de partículas “supercompañeras” de otras partículas comprobadas. Los esleptones acompañaban a los leptones y los squarks a los quarks. Estas partículas acompañantes son la base de la supersimetría, una teoría empleada para explicar algunas propiedades de los bosones y fermiones.

Por el momento, no se ha comprobado experimentalmente la existencia de esta supersimetría. De hecho, durante la puesta en marcha del LHC en el CERN no se encontró ninguna evidencia. No obstante, si en el futuro se confirmara este fenómeno, el mundo científico se llenaría de nuevas partículas compañeras: chargino, fotino, wino, zino, gravitino, gluino, etc.

Odderón

En este caso, se trata de una partícula hipotética que ha cobrado una especial relevancia hace poco tiempo. En el 2021, eL LCH comunicó el descubrimiento de una singular combinación de tres partículas elementales. Una evidencia de las más íntimas ideas de la teoría cuántica relacionada con la cromodinámica, en especial a la que hace referencia a los gluones.

Axión

Es una partícula a la que se le atribuyen cualidades similares a las del fotón. Su existencia se postuló en 1977, año en el que se indicó que el axión no tendría masa ni carga eléctrica. Con base en las premisas de varios físicos teóricos, algunos fotones podrían volverse axiones de manera temporal, lo que ayudaría a explicar el funcionamiento de la materia oscura.

A pesar de que las investigaciones se encuentran lejos de comprobar su existencia, algunas universidades, como la de Washington, continúan experimentando para detectar su naturaleza.

Camaleón

Una partícula cuántica predicha en 2003 para explicar la expansión del universo. Su masa dependería de la densidad de energía y, por tanto, también podría explicar la energía oscura. A pesar de fallar las pruebas para detectarla, se sigue con su búsqueda a través de simulaciones.

Gravifotón

Se cree que podría ser una partícula análoga al fotón, pero como resultado del campo gravitacional y no de las fuerzas electromagnéticas. La importancia de esto es que se estaría hablando de un “supercompañero” del mismísimo gravitón, aunque con fuerza repulsiva y, por tanto, antigravedad. Por desgracia, su existencia es una de las más hipotéticas y sin bases firmes que estimulen su investigación.

¿Cuál es la importancia de los gravitones?

Como has podido comprobar, hay un gran número de partículas subatómicas con las que los científicos pretenden identificar las propiedades del universo. Aunque la teoría de la relatividad general explica de forma bastante satisfactoria la gravitación (indica que la fuerza de gravedad es la deformación del espacio y tiempo), las investigaciones no cesan.

Lo que falta es establecer teorías o premisas donde lo muy grande (universo) y lo muy pequeño (partículas cuánticas) convivan y se expliquen. Para esto se requiere una versión cuántica de la gravedad que incluya a sus partículas de interacción, los gravitones.

Su detección experimental reconciliaría a la gravedad con los conceptos cuánticos y hasta podría conducir a la ciencia a una descripción unificada de todas las interacciones de la naturaleza.

Profesionales involucrados con los gravitones

En pleno siglo XXI aún no se ha definido a ciencia cierta qué es un gravitón, seguramente por la extrema debilidad de la fuerza de la gravedad. Tampoco se tienen los medios adecuados para detectarlos en los laboratorios y las teorías que se intentan construir dan soluciones sin sentido.

En esta situación, muchos astrofísicos consideran que las pistas para construir una teoría integral llegarán "del cielo". Es decir, de observar y estudiar dos misterios claves en el universo: la materia oscura y los agujeros negros.

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