No sabemos si el gravitón existe, pero Freeman Dyson (2013) concluyó que sería imposible detectar uno solo, si existiera. Una onda gravitacional típica en LIGO, con una frecuencia de un 1 kHz y una amplitud h ∼ 10⁻²¹, tiene una densidad de energía de 10⁻¹⁰ erg/cm³, luego contiene 3 × 10³⁷ gravitones (la densidad de energía de un gravitón es ℏω/(c/ω)³ = (ℏω⁴/c³), que para 1 kHz es de 3 × 10⁻⁴⁷ erg/cm³). Ninguna barra de Weber ha detectado una onda gravitacional, a pesar de los avances desde 1968 hasta 2024. Se propone en Nature Communications que una barra de Weber usada como sensor cuántico podría detectar un solo gravitón gracias al efecto gravitofonónico, un análogo gravitacional del efecto fotoeléctrico. Se presenta un cálculo teórico sencillo que sugiere que una barra de Weber de ∼15 kg de berilio, enfriada a 1 mK, que se comportase como un resonador cuántico a una frecuencia de resonancia de 100 Hz y con un factor de calidad Q ∼ 10¹⁰, podría haber detectado un único gravitón durante el paso de la gravitonda GW170817. Para detectarlo en el paso de GW150914 se necesitaría una barra de ∼6 toneladas de una aleación de cobre y aluminio al 6 %, enfriada a 1 mK, que sea un resonador cuántico a 200 Hz con Q ∼ 10¹⁰. Para contextualizar estos números en la actualidad los resonadores cuánticos mecánicos de mayor masa alcanzan microgramos y factores de calidad de Q ∼ 10⁸. Por tanto, la propuesta teórica solo una boutade para llevarle la contraria a Dyson, en un futuro muy, muy lejano se podrá detectar un solo gravitón, si existe.
La teoría de cuerdas predice la existencia del gravitón (bosón gauge de espín 2), que no existiría según otras propuestas, como la gravitación cuántica de lazos. Parece evidente que detectar gravitones individuales sería una evidencia de la gravitación cuántica, o al menos de que la gravitación debe ser cuantizada. Pero detectar un gravitón raya lo imposible (Dyson usaba la palabra impráctico), a pesar de que en la introducción del nuevo artículo los autores afirman a la ligera que podría ser detectado en un futuro cercano usando los experimentos propuestos. El que parece más práctico usa gravitondas de frecuencia ultraalta (por encima de 300 THz) en la fusión de (potenciales) agujeros negros primordiales con una masa inferior 10⁻¹² masas solares (si existiesen); en la tabla de resultados aparece una gravitonda de alta frecuencia (megahercios) producidas por la fusión de agujeros negros primordiales con un cuarto de la masa de Júpiter, si existiesen (pues están descartados por las observaciones); un gravitón sería observable en una barra de Weber de ∼10 gramos de cuarzo, enfriada a 0.6 mK, que fuese un resonador cuántico a 5.5 MHz con un factor de calidad Q ∼ 10¹⁰. Como suele ser habitual en los artículos teóricos, no se propone un experimento que pueda ser realizado en un futuro cercano; solo se ofrece un contraejemplo a la conjetura de Dyson sobre la imposible detección de un único gravitón. Un contraejemplo físico, no matemático. En principio, nada parece prohibir que algún día una barra de Weber detecte una onda gravitacional de forma simultánea a LIGO-Virgo-Kagra; más aún, ni tampoco que además se detecte un salto cuántico en la barra asociado a un único gravitón.
Este tipo de propuestas teóricas combinan cierto grado de fascinación con un alto grado de especulación. El artículo es Germain Tobar, Sreenath K. Manikandan, …, Igor Pikovski, «Detecting single gravitons with quantum sensing,» Nature Communications 15: 7229 (22 Aug 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51420-8, arXiv:2308.15440 [quant-ph] (29 Aug 2023); también recomiendo Germain Tobar, Igor Pikovski, Michael Edmund Tobar, «Detecting kHz gravitons from a neutron star merger with a multi-mode resonant bar,» arXiv:2406.16898 [astro-ph.IM] (28 May 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.16898, y Victoria Shenderov, …, Germain Tobar, …, Igor Pikovski, «Stimulated absorption of single gravitons: First light on quantum gravity,» arXiv:2407.11929 [gr-qc] (16 Jul 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.11929. Dyson propuso su imposibilidad de observar un único gravitón en varias conferencias desde 2005, pero no la publicó en un artículo hasta 2013 en Freeman J. Dyson, «Is a graviton detectable?» International Journal of Modern Physics A 28: 1330041 (2013), doi: https://doi.org/10.1142/S0217751X1330041. Desde entonces, cientos de artículos han criticado sus estimaciones y propuesto diferentes métodos de detectar gravitones.
Ningún detector con barras de Weber ha logrado observar una onda gravitacional (clásica). Hasta ahora. Ninguno de estos detectores opera cerca del régimen cuántico de un resonador cuántico (para sus enormes masas habría que enfriarlos a temperaturas de nanokelvin). Pero los autores del nuevo artículo parecen obviarlo. Los interesados pueden consultar el estado actual en Odylio Denys Aguiar, «Past, present and future of the Resonant-Mass gravitational wave detectors,» Research in Astronomy and Astrophysics 11: 1, doi: https://doi.org/10.1088/1674-4527/11/1/001. También recomiendo Pia Astone, «Resonant mass detectors: present status,» Classical and Quantum Gravity 19: 1227, doi: https://doi.org/10.1088/0264-9381/19/7/301; que nos describe ALLEGRO (2300 kg de Al enfriado a 4.2 K, operando en EEUU desde 1991 hasta 2008), AURIGA (2230 kg de Al a 0.2 K, en Italia desde 1997 hasta 2011), EXPLORER (2270 kg de Al a 2.6 K , en el CERN, Suiza, desde 1990 hasta 2012), NAUTILUS (2260 kg de Al a 0.13 K, en Italia desde 1995 hasta 2016), NIOBE (1500 kg de Nb a 5 K, desde 1993 en Australia), y MiniGRAIL (1400 kg de CuAl a 65 mK, en Países Bajos desde 2001 hasta 2007).
El nuevo artículo nos ofrece esta figura que pretende ilustrar los avances en este tipo de detectores desde Stanford (1982) hasta MiniGRAIL (ya que GRAIL es una propuesta que no llegó a hacerse realidad). En apariencia, los detectores de barras están muy próximos a detectar ondas gravitacionales (clásicas). Pero detectar sextillones de (potenciales) gravitones no es lo mismo que detectar un solo gravitón. Esta figura se interpreta con un optimismo que no supera cualquier mínimo grado de escepticismo. Como es comprensible, en el hipotético experimento propuesto en el nuevo artículo, si se detectara una señal de tipo gravitón, se confirmaría que ha pasado una onda gravitacional a través del detector gracias a su observación mediante LIGO-Virgo-Kagra; sin dicha coincidencia, se tendría que considerar como un falso positivo dicha señal.
Gran parte de mis dudas surgen del modelo teórico usado para sustentar la propuesta. El efecto fotoeléctrico es la emisión de un electrón en un metal debido a la incidencia de radiación electromagnética; en analogía, el efecto gravitofonónico es la excitación de un fonón en un material debido al paso a su través de una onda gravitacional. Aunque la analogía no es completa, pues en el efecto fotoeléctrico no se produce una absorción estimulada del fotón, pero en el modelo teórico desarrollado se describe la absorción estimulada de un solo gravitón. En el modelo se usan varias hipótesis. Se asume que una barra de Weber se puede aproximar como N átomos colocados en fila, donde cada átomo se comporta como un oscilador armónico acoplado a sus átomos vecinos. Además, se asume que la onda gravitacional está formada por un número finito de gravitones en un estado coherente (como si hubiera sido producida por un «láser de gravitones»); se afirma que una mezcla incoherente de gravitones se comportaría como un sistema coherente cerca de la resonancia mecánica del resonador cuántico. Gracias a estas dos suposiciones (entre otras de carácter técnico) se obtiene un modelo detallado de la absorción estimulada de un solo gravitón gracias al paso de la gravitonda a través de la barra. Se acompaña el articulo con simulaciones por ordenador de este proceso.
En resumen, tengo serias dudas de que el experimento propuesto sea práctico y evite el límite de impracticidad de Dyson. Aún así, en principio, no parece imposible que un futuro (quizás en el próximo siglo) se pueda realizar tal experimento. Otra cuestión es si podrá detectar o no un único gravitón, pues tengo serias dudas, dado que la hipótesis se apoya en un modelo teórico de juguete. Como siempre, los modelos de juguete tienen la ventaja de que se pueden incluir en los cursos universitarios para los estudiantes; quizás alguno de esos estudiantes sea capaz de proponer un modelo más realista que sea convincente. Mientras tanto sigo teniendo serias dudas sobre si se puede observar un único gravitón.
Hola Francis.
Los cilindros de Weber fueron el primer intento de detectar ondas gravitatorias, y tuvieron el problema de que resonaban sin excitacion conocida y eso anulaba cualquierndeteccion, si mal no recuerdo.
Una caracterisitica del efecto fotoelectrico es que fotones de frecuencia inferior a un umbral no extraen electrones. ¿ En estos experimentos propuestos cual es el mecanismo que provoca la desintonizacion de la barra oscilante solo si la frecuencia de los gravitones incidentes es superior a cierto valor?
Gracias Francis por el articulo interesante!
Alejol9, la analogía con el efecto fotoeléctrico no es completa, no hay frecuencia de umbral. La detección ocurre por resonancia. La barra actúa como un resonador cuántico con cierta frecuencia de resonancia y la absorción estimulada ocurre para los modos (gravitones) que tienen una frecuencia igual a la de resonancia. De hecho, la medición se realiza en modo continuo.
Según las simulaciones, la barra está con sus átomos en su estado fundamental (rho-00 en la figura), antes de paso de la gravitonda. Durante el paso de la onda gravitacional, parte de los átomos pasan a su modo excitado (rho-11), incluso algunos al segundo modo excitado (rho-22). La figura que he incluido es de una simulación con ruido; hay otra figura en el paper sin ruido que es mucho más clara. Si tengo tiempo la incluyo (me pareció menos realista, pero es mucho más clara).
Perdona pero en estos dias estaba leyendo el libro de la astrofisica Rebecca Smethurst donde se habla de un personaje de nombre Joe Weber que en los Sesenta tuvo en vilo a la comunidad cientifica afirmando que con unos tubos habia detectado ondas gravitacionales, asi, por la cara, lo cual resulto ser -como no- un poco una estafa. No sera la misma tecnica que se sugiere emplear en el articulo, verdad?
Sí, por supuesto, Thomas, las barras de Weber reciben ese nombre en honor a su inventor, el pionero de la astronomía gravitacional Joseph Weber. Un gran físico que fue nominado al Nobel de Física por el máser, por su trabajo junto a Charles H. Townes, que recibió el galardón en 1964. Decidió cambiar de tema de investigación y se centró en la detección de ondas gravitacionales. No detectó ninguna, pues hoy sabemos que era imposible con sus barras, cuya sensibilidad máxima era de h ~ 10⁻¹⁶, siendo necesario que alcanzaran 10⁻²¹ (ninguna lo ha logrado hasta ahora). Weber fue muy famoso por afirmar que había logrado detectarlas en 1969 y por toda la polémica que generó al respecto. Toda esta polémica es responsable de la propuesta inicial de usar interferómetros láser, que llevó a LIGO y al Premio Nobel de 2017 a sus padres. De hecho, Weber y Forward construyeron el primer interferómetro láser en 1971; Weiss propuso el suyo, un poco más grande, en 1972, que no vio la luz hasta mucho más tarde (LCMF, 03 oct 2017).
Como Francis nos ha dicho en repetidas veces, cuando el título de un paper es interrogativo («Is a graviton detectable?») la respuesta es casi siempre negativa.
Gracias por la explicación tan completa y concisa.
MiniGRAIL no estaba ubicado en Italia sino en Holanda, en la Universidad de Leiden. Hay otro detector similar en Brasil, el Mario Schenberg que los autores no mencionan
Gracias, Yakko, lo corrijo.
Hola Francis, me deja un poco insatisfecho cualquier explicacion a traves de la divulgacion sobre la existencia de la materia oscura. Me da la sensacion de que si Einstein no tuviese la imaginacion suficiente, estariamos hablando de porque la fisica newtoniana no se cumple para determinadas velocidades y lo atribuyesemos a una variable oculta. Bien, entiendo que la hipotesis que voy a decir ahora resultara bastante naif, pues mentes com mayores conocimientos que la mia ya habran pensado en el asunto pero, no es posible que nos equivoquemos al interpretar las observaciones de los movimientos de las galaxias y no tengamos en cuenta que quiza exista algo que altere la cinematica de la luz a traves del universo observable y que llegue a nosotros en una condicion tal que nos pudiese estar dando una vision a camara rapida del cosmos en funcion de la distancia observada? Es decir, Hubble (y despues, toda la comunidad cientifica) atribuyo que el corrimiento al rojo de las galaxias significaba que el universo se estaba expandiento y mas adelante se «observo» que esto pasaba de forma acelerada en funcion con la diatancia. Esto seria compatible con el Principio Copernicano y el Principio Cosmologico y podria resultar en una explicacion (habria que «calcular») al porque observamos las galaxias con una dinamica incompatible con la relatividad sin la inclusion de la materia y la energia oscura. Gracias de antemano por tu opinion.
Juan Ramón, cuidado, el electomagnetismo de Maxwell es relativista, como probaron Lorentz, FitzGerald y Poincaré entre otros, Einstein solo postuló que la física newtoniana también era relativista, logrando «unificar» el electromagnetismo con la mecánica sin usar el éter luminífero (postulado por Maxwell para realizar dicha «unificación»). Si no te gusta la idea de materia oscura, lo siento, pero así es la Naturaleza (te guste o no es irrelevante). La distribución de la materia oscura se observa, por ejemplo, en el efecto de lente gravitacional; la lente tiene más de diez veces la masa estimada en las galaxias observadas y hay cientos de ejemplos. Seguro que disfrutas de la belleza de dichas imágenes astronómicas en las que están viendo la materia oscura (de forma indirecta). No te confundas. No es cierto que la materia oscura se haya descubierto gracias a la expansión de Hubble. Los efectos de la materia oscura fueron observados por Jeans (1922), Kapteyn (1922), Oort (1932), Zwicky (1933), etc., aunque fue bautizada por Zwicky. La historia en https://naukas.com/2010/08/20/la-historia-de-la-materia-oscura/ y https://francis.naukas.com/2018/02/19/la-prehistoria-de-la-materia-oscura/ .
Gracias por la respuesta Francis. Desde la diferencia de conocimientos que nos separa (sin duda en grado de superioridad por tu parte), SI, te puedo seguir diciendo que no me convence la idea del concepto de materia/energia oscura para justificar algo que la dinamica observada del cosmos en si, con la relatividad general, que si parece funcionar muy bien en objetos «cercanos». Salvo error por mi parte, no tenemos ningun tipo de prueba (no indicio) de que la materia/energia oscura sea real… si se obserban alteraciones que no concuerdan con la ciencia «acreditada» y por ello se llena el vacio con lo que para mi (se que la ignorancia es atrevida) es mera especulacion. Para acreditar que la materia oscura es real, se tendria que acreditar que algun tipo de particula «oscura» existe y salvo que mi ignorancia me lleve a error, todavia no se ha demostrado existencia de particula alguna de esta naturaleza mas alla de presuponer su interaccion gravitatoria con la materia barionica a fin de conjugar el dinamismo de las galaxias con observaciones medidas dentro del espectro electromagnetico. Que yo pueda saber y entender, la informacion que se puede extraer de las mediciones de las ondas gravitacionales no aportan todavia ninguna informacion relevante al respecto. En todo caso, gracias por tu atencion y respuesta.
Juan Ramón, dices que no te convence la idea del concepto de materia/energia oscura; el problema con la Naturaleza de la realidad es que no tiene que convencer a nadie (ni a ti, ni a mí). Afirmas que no tenemos ningún indicio de que la materia/energía oscuras sean reales, lo que es completamente falso. Se han acumulado evidencias (indicios fuera de toda duda) de la materia oscura durante más de un siglo y se han acumulado evidencias (indicios fuera de toda duda) de la energía oscura durante más de un cuarto de siglo. Puedes hacer oídos sordos
No te confundas, Juan Ramón, no es necesario conocer la naturaleza cuántica de la materia oscura (su partícula, si existe) o de la energía oscura (su campo, si existe) para tener evidencias observacionales de su existencia que están fuera de toda duda (salvo de la duda metódica cartesiana que me lleva a dudar de tu existencia). Se sabía que el fuego existía antes de conocer su naturaleza cuántica; y lo mismo con infinidad de conceptos científicos. Primero se logran evidencias de existencia y mucho más tarde se desvela su naturaleza cuántica. Son problemas diferentes.
Por supuesto, si no te convencen la astrofísica y la cosmología, si solo te convence la física de partículas y la teoría de campos cuánticos, como es obvio, hasta que se desvelen la naturaleza cuántica de la materi y energía oscuras no te convencerás de su existencia. Pero ese es tu problema cartesiano y solo es tuyo.
Comonsiempre agradecer tu tiempo en la respuesta, Francis. Sinceramente es un privilegio tu atencion. Os escucho y os sigo con mucha frecuencia. Solo te puedo corregir (permítemelo) de tu contestacion en lo tocante a si «me gusta o no» … quiza me experesé mal; no es que me guste o no, es que desde el conocimiento mas o menos extraido de mis conocimientos academicos (pocos , pues soy ingeniero) y una suerte de divulgacion que me gusta seguir, conceptualmente me parece que la cominidad de astrofisicos (la mayoria, no toda) esta dando palos de ciego posicinandose en una direccion «solo» basandose en desfases en la cinematica del movimiento estelar en galaxias en comparacion con lo que predice la teoria de la relatividad para tales dinamicas sin tener ningun tipo de evidencia contrastada con la fisica de particulas. Es decir, no hay evidencia de materia/energia oscura (particulas ni campos) mas alla de las interacciones gravitacionales presuponibles por las observaciones practicadas a traves de los distintos medios tecnologicos actuales. Bueno, seguire escuchando y de vez en cuando comentando. Muchas gracias a todos por vuestro trabajo en coffe break. Leere con detalle tambien el post que me indicas en Naukas, parece muy interesante. Gracias.
Juan Ramón, la evidencia sobre la materia oscura a escala estelar es irrelevante (casi inexistente); las curvas de rotación galáctica se refieren al gas que rodea a la galaxia. Incluso, dicha evidencia es irrelevante. Las evidencias empiezan en la escala de los cúmulos. Si te interesa el tema, te recomiendo leer algún libro de astrofísica. Imaginar que sabes no es lo mismo que disfrutar aprendiendo.