Le onde gravitazionali possono oscillare, proprio come i neutrini

Utilizzando i dati delle prime onde gravitazionali rilevate lo scorso anno, insieme ad un’analisi teorica, i fisici hanno dimostrato che le onde gravitazionali possono oscillare tra due forme diverse chiamate “g” e “f”. I fisici spiegano che questo fenomeno è analogo al modo in cui i neutrini oscillano tra tre sapori distinti: elettronico, muonico e tau. Le onde gravitazionali oscillanti nascono in una teoria modificata della gravità chiamata gravità bi-metrica, o “bi-gravità”, ed i fisici ritengono che le oscillazioni possano essere rilevabili negli esperimenti futuri.

I ricercatori, Kevin Max, un dottorando alla Scuola Normale superiore di Pisa e INFN Pisa, Italia; Moritz Platscher, dottorando all’Istituto Max Planck per la Fisica Nucleare, Germania; e Juri Smirnov, post-dottorando presso l’Università di Firenze, hanno pubblicato un documento sulla loro analisi delle oscillazioni delle onde gravitazionali in un recente numero della rivista Physical Review Letters.

Come spiegano i fisici, il lavoro può contribuire a rispondere alla domanda su come è composto “l’altro 95%” dell’universo, suggerendo che la risposta possa trovarsi in modifiche alla gravità piuttosto che nuove particelle.

“Solo il 5% della materia è di un tipo che pensiamo di capire correttamente”, disse Smirnov a Phys.org . “Per affrontare la questione su di che è composto il nostro universo (‘materia oscura’ e ‘energia oscura’), molti autori discutono modelli alternativi di fisica delle particelle con nuove particelle, ma esperimenti come quelli del LHC [Large Hadron Collider] non hanno ancora individuato particelle esotiche, ma questo solleva la domanda se non debba forse essere modificato il lato gravitazionale.

“Nel nostro lavoro, ci chiediamo quali segnali ci dobbiamo aspettare da una modifica della gravità, e il risultato è che la bi-gravità presenta un segnale unico, e quindi può essere discriminata dalle altre teorie. La recente rilevazione di onde gravitazionali da parte di LIGO [Laser Interferometer Gravitational -Wave Observatory] ha aperto una nuova finestra sui settori oscuri dell’universo per noi. Se la Natura ha scelto la relatività generale, la bi-gravità o qualsiasi altra teoria è un’altra questione, noi possiamo solo studiare i possibili segnali che i sperimentatori debbono cercare.”

Due gravitoni invece di uno

Attualmente, la migliore teoria della gravità è la teoria della relatività generale di Einstein, che usa una singola metrica per descrivere lo spazio-tempo. Di conseguenza, le interazioni gravitazionali sono mediate da una singola particella ipotetica chiamata gravitone, che è senza massa e quindi si muove alla velocità della luce.

La differenza principale tra relatività generale e la bi-gravità è che la bi-gravità utilizza due metriche, g e f. Mentre g è una metrica fisica accoppiata alla materia, f è una metrica sterile e non si accoppia alla materia. Nella bi-gravità, le interazioni gravitazionali sono mediate da due gravitoni, uno dei quali ha una massa e l’altro è senza massa. I due gravitoni sono composti da diverse combinazioni (o sovrapposizioni) delle metriche g e f e quindi si accoppiano alla materia circostante in modi diversi. L’esistenza di due metriche (e due gravitoni) nella struttura della bi-gravità porta infine a un fenomeno di oscillazione.

Come spiegano i fisici, l’idea dell’esistenza di un gravitone con massa è in circolazione da quasi quanto la stessa relatività generale è stata espressa.

“La teoria di Einstein della relatività generale prevede un mediatore (il” gravitone “) delle interazioni gravitazionali, che si muove alla velocità della luce, ovverosia senza massa”, ha detto Max. “Verso la fine degli anni ’30, però, gli scienziati stavano cercando di trovare una teoria contenente un mediatore che ha una massa e quindi si muove ad una velocità inferiore alla velocità della luce. Questo si è rivelato un compito molto difficile e solo recentemente è stato compiuto, nel 2010. La bi-gravità è una variante di questa struttura del 2010, che non presenta un’unica metrica, ma due metriche dinamiche: solo una di loro si accoppia alla materia, mentre l’altra non fa; e una loro combinazione lineare diventa massiccia (più lenta della velocità della luce) mentre l’altra è senza massa (alla velocità della luce) “.

Oscillazioni

I fisici mostrano che, nel quadro della bi-gravità, nel momento in cui le onde gravitazionali vengono prodotte e propagate nello spazio, oscillano tra i tipi g e f, anche se solo il tipo g può essere rilevato. Anche se le ricerche precedenti hanno suggerito che queste oscillazioni potrebbero esistere, sembrano portare a risultati non fisici, come ad esempio una violazione della conservazione dell’energia. Il nuovo studio dimostra che le oscillazioni possono teoricamente emergere in uno scenario fisico realistico quando si considerano gravitoni di masse sufficientemente grandi da essere rilevate dai test astrofisici attuali.

Per comprendere queste oscillazioni, gli scienziati spiegano che in diversi modi assomigliano alle oscillazioni dei neutrini. Sebbene i neutrini siano in tre sapori (elettronico, muonico e tau), tipicamente i neutrini che si producono nelle reazioni nucleari sono neutrini elettronici (o anti-neutrini elettronici), perché gli altri sono troppo pesanti per formare materia stabile. Allo stesso modo, nella bi-gravità solo la metrica g si accoppia alla materia, quindi le onde gravitazionali prodotte da eventi astrofisici, come le fusioni di buchi neri, sono di tipo g, poiché le onde gravitazionali di tipo f non si accoppiano alla materia.

“La chiave per comprendere il fenomeno dell’oscillazione è che i neutrini elettronici non hanno una massa definita: sono una sovrapposizione dei tre stati di massa dei neutrini”, ha spiegato Platscher. “Più matematicamente, la matrice di massa non è diagonale in base al sapore (elettronico-muonico-tau), quindi l’equazione d’onda che descrive come si muovono nello spazio li mescolerà, e perciò ‘oscillano’.

“Lo stesso vale per la bi-gravità: g è una miscela del gravitone massiccio e di quello senza massa, e quindi, nel momento in cui l’onda gravitazionale attraversa l’Universo, oscillerà tra le onde gravitazionali di tipo g e f, ma noi possiamo solo misurare la prima variante con i nostri rivelatori (che sono fatti di materia), mentre la seconda variante passerebbe attraverso di noi senza essere rilevata! Il che significa che, se la bi-gravità è una corretta descrizione della Natura, lascia una traccia importante nel segnale d’onda gravitazionale, come abbiamo dimostrato “.

Come notano i fisici, la somiglianza tra i neutrini e le onde gravitazionali rimane anche se l’oscillazione del neutrino è un fenomeno quanto-meccanico descritto dall’equazione d’onda di Schrödinger, mentre l’oscillazione dell’onda gravitazionale non è un effetto quantistico e viene invece descritta da un’equazione d’onda classica.

Un particolare effetto che i fisici prevedono è che le oscillazioni d’onda gravitazionali portino a modulazioni di tensione più grandi rispetto a quelle previste dalla relatività generale. Questi risultati suggeriscono un percorso verso l’individuazione sperimentale delle oscillazioni d’onda gravitazionali e la ricerca di supporto per la bi-gravità.

“Poiché la bi-gravità è una teoria molto giovane, c’è ancora molto da fare, ed il suo potenziale di risolvere i difetti di questa teoria deve essere esplorato”, ha detto Smirnov. “C’è stato un certo lavoro in questa direzione, ma certamente molto deve ancora essere fatto e speriamo di contribuire anche in futuro!”

Ulteriori informazioni: Kevin Max, Moritz Platscher e Juri Smirnov. “Oscillazioni d’onda gravitazionale in bi-gravità“.  Anche su arXiv: 1703.07785 [gr-qc]

Articolo di Lisa Zyga originariamente pubblicato su Phys.org.

Ringrazio per la preziosa collaborazione Gaetano M..