Graviton antas å være partikkelen som utveksles mellom masser som blir påvirket av tyngdekraften, men den har aldri før vært påvist. Hvis denne partikkelen blir funnet, kan det være et av de viktigste stegene i fysikernes lange reise mot en teori om alt.

Er ikke en del av standardmodellen

Gravitoner er de hypotetiske elementærpartiklene til gravitasjonskraften, partikler på enda mindre størrelse enn atomer. De kan forklares som gauge-bosoner, partikler som er bærere av fundamentalkreftene i naturen. Gravitoner tar ikke i del i partikkelfysikkens kjente standardmodell.

Standardmodellen er en teori som omfatter tre av de fire fundamentale kreftene i universet og elementærpartiklene. Den inneholder de fysikklovene som styrer hvordan kreftene og partiklene oppfører seg. Modellen er dermed grunnlaget for vår kunnskap om atomers oppbygning og hvordan de forbinder seg til hverandre.

Einstein og Newtons teorier om gravitasjon

Tyngdekraften baserer seg imidlertid ikke på prinsipper fra kvantefysikken og standardmodellen. Vår fulle forståelse av gravitasjon er basert på Albert Einsteins gravitasjonsteori. Denne teorien til Einstein har nemlig en forgjenger, Newtonsk gravitasjon. Einsteins teori forenkles til Newtons teori når alle bevegelser er mindre enn lyshastigheten og når de gravitasjonelle vekselvirkningene er små. Da gir begge teoriene praktisk talt like resultater. Man bruker derfor prinsippene til Newton når man jobber med gravitasjon på lavere utdanningsnivå.

I 1687 formulerte Newton egenskapene til gravitasjon matematisk. Forenklet forklarte Newton gravitasjon som en tiltrekningskraft mellom to masser, for eksempel kraften mellom et eple og jorden. Newton forsto aldri helt hvordan gravitasjonskraften kunne virke på avstand og forsøkte uten hell å forstå kraften som en følge av virkninger i rommet mellom legemene.

Les også:

Sjarmkvark, gluon, myon og tau: Derfor har de aller minste partiklene så rare navn

Klarte å forutsi nye naturfenomener

Men da Einstein formulerte den spesielle relativitetsteorien i 1905, oppdaget han at den ikke passet med Newtons gravitasjonslov. I 1907 foreslo han relativitetsprinsippet og ekvivalensprinsippet. Relativitetsprinsippet forklarer at fysikkens lover gjelder for alle observatører uansett hvordan de beveger seg, og ekvivalensprinsippet tilsier at et sted i gravitasjonsfeltet vil alt, uansett masse, falle med samme akselerasjon.

Men for å inkludere gravitasjon i den spesielle relativitetsteorien måtte noe mer til. Derfor foreslo Einstein den generelle relativitetsteorien i 1915. Dette er en teori om tid, rom og gravitasjon. Einstein mente tunge objekter ville forandre på romgeometrien.

Se for deg to kuler med forskjellig størrelse på en trampoline.

På figuren lager den store kulen en fordypning på trampolineoverflaten. En lettere gjenstand vil nærme seg fordypningen. Istedenfor at masse tiltrekker masse, vil objektet med minst masse følge rommets krumming.

Med den generelle relativitetsteorien klarte Einstein å forutsi nye naturfenomener som var i strid med Newtons gravitasjonslov. Blant disse naturfenomenene er sorte hull, gravitasjonell rødforskyvning og et ekspanderende Univers.

Dette bildet kan bekrefte den generelle relativitetsteorien:

– Dette er helt fantastisk, og det er akkurat som forventet

Vil bruke LHC for å forklare tyngdekraft på sub-atomisk nivå

Men Einstein hadde ikke forklart alt. Tyngdekraften er ikke beskrevet på sub-atomisk nivå. Det er derfor gravitasjon ikke inkluderes i det vi kaller kvantemekanikken, den delen av fysikken som beskriver atomer, molekyler og oppbygningen av disse. Gravitonbosonet kan hypotetisk være inngangen forskerne trenger for å forstå hvordan gravitasjon fungerer på et helt grunnleggende nivå.

Så hvordan kan forskerne bekrefte at dette bosonet finnes?

Svaret kan muligens ligge i The Large Hadron Collider (LHC) eid av CERN, den europeiske organisasjon for kjernefysisk forskning. LHC er en 27 kilometer lang partikkelakselerator som regnes som verdens største. Den akselerer partikler tett opp mot lysest hastighet i to motsatte partikkelstrømmer i et rør som heretter kolliderer med hverandre. Effekten av kollisjonen lager et fyrverkeri av partikler som flyr i alle retninger. Målet til akseleratoren er å oppdage nye partikler og fenomener med sine detektorer.

Men det blir ikke lett. I 2007 ble det publisert et tankeeksperiment i Foundations of Physics. Det ville kreve en partikkeldetektor på størrelse med planeten Jupiter plassert i bane rundt en nøytronstjerne for å observere et graviton, selv under svært gunstige forhold, ifølge forskere. Et graviton ville til og med da bare kunne bli observert hvert tiende år. Hvis de var heldige.

En nøytronstjerne er en sterk kilde for gravitoner, men en enda sterkere kilde for nøytrinoer. For å få sett gravitonet i nøytronregnet, ville man trenge et nøytronskjold med en tykkelse på flere lysår. Her støter man på et nytt problem ved at de nødvendige dimensjonene krevd for dette nøytronskjoldet ville sørge for at det kollapset i et sort hull. Det vil derfor være fysisk umulig å oppdage selve gravitonet.

Hvordan skal da CERN klare å bekrefte at gravitonet finnes?

Les også:

CERN vil bygge ny partikkel-akselerator som er fire ganger større og ti ganger kraftigere

Trenger en teori før de kan gjøre eksperimentene

CERN kan ikke finne selve gravitonet, men de kan undersøke om den energien som skapes i kollisjonene forsvinner til ukjente dimensjoner eller noe annet. Med dette kan forskerne avgjøre om gravitonet eksisterer, dersom egenskapene til gravitonet tilsier det. Gravitonet trenger derfor en modell eller en teori som kan forklare dens egenskaper. På denne måten kan også forskere studere og lete etter mørk materie.

Siden juni 2018 har CERN jobbet med en oppgradering på LHC kalt High Luminosity LHC (HL-LHC). Oppgraderingen er planlagt ferdig i 2026 og gir større sjanse for å observere sjeldne prosesser og forbedre statiske målinger. Fysikerne over hele verden har dermed mye å se fram til om noen få år.

Men de kan ikke vente til 2026.

Hvis gravitonet i det hele tatt finnes, er det viktig at vi har nok kunnskap om hvilke egenskaper den skal ha. Gravitonet vil blant annet ikke ha noen masse, siden gravitasjonsbølger beveger seg med lysets hastighet. Bosonet bør derfor ha en teoretisk forklaring før den eventuelt blir bekreftet gjennom observasjon og eksperiment. En kvanteteori kan gi spådommer som kan bekreftes gjennom eksperimenter. Fotonet, bosonet til elektromagnetisk stråling, ble funnet på denne måten.

En kvanteteori om gravitasjon har man ikke før man finner en kobling mellom Einsteins generelle relativitetsteori og kvantemekanikken. Strengteorien, en teori som ser på nye måter å forklare elementærpartikler, presenterer gravitoner som en løsning på kvantegravitasjon. Problemet med teorien er at den er matematisk komplett i alt for mange dimensjoner. Fysikere jobber med å begrense dimensjonene uten at matematikken blir feil.

En helhetlig forståelse for gravitasjon på kvantenivå kan være mange år unna, samtidig kan CERN øke sjansen for bedre forståelse gjennom oppgraderingen av LHC i årene som kommer. En potensiell bekreftelse av gravitonet kan gi fysikere nok informasjon til å utvide standardmodellen og herved forene den med den generelle relativitetsteorien. Vil gravitonet være den siste puslebrikken for den etterlengtede «teorien om alt»?