La gravità è di sinistra?

Un banco di prova per la loop quantum gravity

di Andrea Signori

Te lo immagini il Grande Consiglio dei Saggi dell’Universo che decide di modificare le Leggi della Natura una volta scoperto che la gravità è “di sinistra”? Magari perché è “mentalmente disturbata” e “antropologicamente diversa”? Per fortuna la notizia di cui parliamo non è altrettanto tragica.

João Magueijo e Dionigi Benincasa, dell’Imperial College di Londra, in un articolo su arXiv propongono un modo per elevare le teorie di quantum gravity dal livello puramente speculativo alla falsificabilità sperimentale, caratteristica fondamentale di ogni teoria fisica. I due scienziati suggeriscono di analizzare le proprietà della radiazione cosmica di fondo (CMB) per ricavare importanti informazioni sulla natura del gravitone.

La radiazione cosmica di fondo, qui ripresa da WMAP, è la fotografia dell’universo al momento del disaccoppiamento tra luce e materia: dal blu al rosso, zone a temperatura crescente. (Cortesia: WMAP)

Gravitone? Pensando al fotone, mediatore della forza elettromagnetica, si direbbe sia il mediatore della forza di gravità a livello quantistico. Sì e no. Il gravitone è un bosone con spin 2 e massa nulla. La gravità non è una forza in senso stretto: piuttosto è un’estensione del concetto di inerzia. E’ l’effetto della geometria curva dello spaziotempo sulle leggi della fisica.

Ah, dunque viviamo in una geometria curva… Ma quanto curva? Poco, se siamo lontani da catastrofi stellari et similia. In questo caso (detto relatività generale “linearizzata”) lo spaziotempo è quasi piatto e gli scostamenti dalla “piattezza” sono rappresentabili matematicamente da un campo, le cui eccitazioni sono note come gravitoni. (Per gli addetti ai lavori: in questo regime, il fatto che il gravitone sia l’eccitazione di un campo “generico” e non di un campo di gauge – connessione – ci dice che la gravità non è interpretabile come un’interazione fondamentale). Tuttavia si è soliti utilizzare il termine “gravitone” anche nei tentativi di quantizzare la gravità in regime non perturbativo. Distinguere le due situazioni è d’obbligo, anche se indicate con lo stesso nome.

Come ogni onesta particella senza massa, il gravitone si propaga alla velocità della luce e possiede due soli stati di polarizzazione: destrorso (RH, per Right Handed) e sinistrorso (LH, per Left Handed). Nel primo caso lo spin ha direzione parallela a quella del moto, nel secondo caso è antiparallelo. La domanda a cui Magueijo e Benincasa cercano di rispondere è: c’è simmetria fra le due polarizzazioni oppure la gravità è chirale, cioè distingue tra gravitoni “di destra” e “di sinistra”? Noi conosciamo già una teoria chirale: il Modello Standard, nella sua versione “minimale”. Infatti i neutrini compaiono soltanto nella versione LH. (Oggi invece sappiamo che le oscillazioni del neutrino causano l’esistenza anche di una componente RH). E’ tutt’altro che una questione di lana caprina: infatti la loop quantum gravity, una delle candidate teorie di gravità quantistica, predice l’esistenza di soli gravitoni LH. Quindi un esperimento che si proponga di scoprire se esista uno stato privilegiato di polarizzazione per i gravitoni è un buon banco di prova per la credibilità della teoria.

Perché analizzare la CMB per capire se la gravità è chirale? La CMB, nota come radiazione fossile, è il primo lampo di luce emesso dall’universo dopo la formazione dei primi atomi. Prima nessun fotone poteva propagarsi liberamente nello spazio, essendo intrappolato nel plasma primordiale di quark e gluoni. In regimi estremi di energia e densità di materia la gravità era tutt’altro che debole e perturbativa: le onde gravitazionali interagirono molto fortemente con la luce, prima che questa fuoriuscisse dal plasma. In virtù di questo forte accoppiamento, Magueijo e Benincasa sostengono che dall’analisi della prima “fotografia” dell’universo (in particolare analizzando la polarizzazione dei fotoni che la costituiscono) è possibile capire la presunta chiralità della gravità nel limite di basse energie.

La ricerca sarà effettuabile a partire dal 2013, non appena l’Osservatorio Planck avrà analizzato in modo approfondito la radiazione fossile. Lo studio si basa anche sul presupposto che l’inflazione abbia progressivamente “stirato” gli effetti dell’interazione tra la luce e la gravità prima del disaccoppiamento, rendendoli analizzabili oggi alla scala astronomica. Quindi, come spiega Lee Smolin, del canadese Perimeter Institute for Theoretical Physics, il successo di questo primo approccio sperimentale alle teorie di gravità quantistica potrebbe essere triplo: per prima cosa confermerebbe l’inflazione, poi verificherebbe eventualmente la natura quantistica della gravità e infine la loop quantum gravity riceverebbe una buona iniezione di fiducia da un dato sperimentale qualora i gravitoni fossero solo LH oppure sarebbe falsificata dai gravitoni RH.

Joao Magueijo, & Dionigi M. T. Benincasa (2010). Chiral vacuum fluctuations in quantum gravity arXiv arXiv: 1010.3552v1