VERSO UNA TEORIA QUANTISTICA DELLA GRAVITA’

A caccia di gravitoni nel fondo cosmico

Due ricercatori statunitensi, tra cui il premio Nobel Frank Wilczek, sostengono che la misura della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo fornirà anche la conferma della natura quantistica della gravità. Con il commento di Alessandro Gruppuso dell’INAF-IASF Bologna

Mappa delle minuscole fluttuazioni di temperature nella radiazione cosmica di fondo (CMB) come osservate da Planck. Le analisi sulla polarizzazione sono ancora in corso. Crediti: ESA, Planck Collaboration

Mappa delle minuscole fluttuazioni di temperature nella radiazione cosmica di fondo (CMB) come osservate da Planck. Le analisi sulla polarizzazione sono ancora in corso. Crediti: ESA, Planck Collaboration

Tra le quattro forze fondamentali della natura, solo per la gravità non è stata individuata una corrispondente unità di base, quello che viene definito come quanto. I fisici si aspettano che la forza gravitazionale sia veicolata da una particella elementare, chiamata gravitone, così come la forza elettromagnetica è trasportata dal fotone. Sebbene esistano ragioni teoriche assai convincenti sul fatto che i gravitoni debbano esistere, il loro palesarsi ai nostri occhi potrebbe essere fisicamente impossibile. La misura di un singolo gravitone attraverso esperimenti costruiti sulla Terra appare ad alcuni scienziati come un’impresa senza speranza. Se è così, non resta che volgere lo sguardo verso il più grande laboratorio di cui disponiamo, l’universo, per cercare indizi rivelatori dei gravitoni.

In uno studio recentemente pubblicato su Physical Review D, Lawrence Krauss, cosmologo dell’Arizona State University, e Frank Wilczek, premio Nobel per la fisica nel 2004, sostengono l’idea che misurare le minuscole differenze nella radiazione cosmica di fondo (CMB, cosmic microwave background) possa essere la strada giusta per rilevare gli effimeri effetti dei gravitoni. Krauss e Wilczek suggeriscono che l’esistenza di gravitoni, e quindi la natura quantistica della gravità, possa essere dimostrata attraverso alcune caratteristiche dell’universo primordiale. Caratteristiche che, al momento, ci sfuggono.

Secondo i modelli cosmologici più accreditati, nelle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang l’universo ha subito un’espansione estremamente rapida, una fase definita “inflazione“. Se i gravitoni effettivamente esistono, allora dovrebbero essere stati generati come fluttuazioni quantistiche durante la fase di inflazione cosmologica. Fluttuazioni che si sarebbero evolute, con l’espandersi dell’universo, in onde gravitazionali, che distorcono lo spazio-tempo nel loro propagarsi. Questo si ripercuoterebbe sul modo in cui sono state prodotte le radiazioni elettromagnetiche primordiali, di cui oggi osserviamo il residuo nella radiazione cosmica di fondo, rendendole polarizzate. I ricercatori che analizzano i risultati del satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea sono proprio alla ricerca di questa “impronta” lasciata dall’inflazione nella polarizzazione della CMB.

Il lavoro di Krauss e Wilczek combina quanto già conosciuto sull’argomento con alcuni sviluppi inattesi. “Non è nuova l’idea che l’inflazione produca onde gravitazionali”, ha spiegato Krauss, “né il fatto che possiamo teoricamente calcolarne l’intensità da misure della polarizzazione del fondo cosmico a microonde. E’ invece nuovo l’argomento che tale misura fornirà, in linea di principio, un’inequivocabile e diretta conferma che il campo gravitazionale è quantizzato. In effetti, è forse l’unica verifica empirica di questa importante ipotesi che potremmo ottenere nel prossimo futuro”. Una verifica che, nell’opinione di Krauss, è a portata di mano. “E’ molto probabile che la prossima generazione di esperimenti, nel prossimo decennio, o forse anche lo stesso satellite Planck, possano scorgere l’impronta del gravitone nella polarizzazione della CMB”, ha concluso Krauss.

“La comunità astrofisica attende con impazienza per il 2014 il rilascio dei dati in polarizzazione della radiazione cosmica di fondo, osservata dal satellite Planck”, ha commentato in proposito Alessandro Gruppuso dell’INAF-IASF di Bologna. “Tale impazienza è giustificata, tra le altre cose, dal grande interesse per i cosiddetti ‘modi B’ di questa polarizzazione. Infatti osservare tali modi B equivale a rilevare onde gravitazionali primordiali. Questo rappresenterebbe un’ulteriore conferma della teoria inflazionaria, teoria che appunto descrive l’evoluzione dell’universo primordiale e che prevede, a seconda dello specifico modello, una certa quantità di onde gravitazionali”.

“In questo studio teorico”, prosegue Gruppuso, “Krauss e Wilczek, utilizzando il semplice metodo di analisi dimensionale, dimostrano che tale generazione primordiale di onde gravitazionali può essere matematicamente descritta da un’equazione che contiene la costante di Planck (al quadrato), un fattore numerico che si valorizza nelle equazioni solo quando la teoria presenta comportamenti quantistici. La conclusione che gli autori ne traggono è che l’eventuale osservazione di questo fondo di onde gravitazionali potrebbe non solo convalidare la teoria inflazionaria, ma sarebbe anche una prova ‘diretta’ della natura quantistica delle onde gravitazionali. E’ sicuramente interessante rivedere un effetto noto dal punto di vista quantistico suggerito dagli autori. Ma sarebbe ancora più interessante se tale effetto potesse dare supporto (empirico) per la costruzione di una teoria quantistica della gravità, visto che, tra tutte le interazioni fondamentali, la gravità è l’unica che non ha ancora una descrizione quantistica”.