Kun je op deze manier wél gravitonen vinden?

KIJK-redactie

2021-02-28 10:00:00

gravitonen

Gravitonen, hypothetische deeltjes die zwaartekracht over zouden brengen, zijn tot nog toe met geen mogelijkheid te vinden. Maar de zoektocht is nu over een andere boeg gegooid.

Alles bestaat uit deeltjes. Sowieso is alles om ons heen – en wijzelf – uiteindelijk opgebouwd uit brokjes materie die, voor zover we weten, niet meer zijn op te delen in nog kleinere brokjes. Maar ook aan de krachten die tússen deze deeltjes werken, komen deeltjes te pas. Als twee deeltjes met een elektrische lading elkaar aantrekken of afstoten, wisselen ze bijvoorbeeld fotonen uit, de deeltjes waar ook licht uit bestaat.

Lees ook:

Dat hele verhaal kent echter één uitzondering: de zwaartekracht. Volgens Albert Einstein werkt die doordat de ruimtetijd wordt gekromd door alles wat maar massa heeft. Een bijzonder succesvolle theorie, die al meer dan een eeuw elke test heeft weten te doorstaan – maar ook een theorie die totaal niet te combineren is met de deeltjestheorieën die we voor al het andere gebruiken. Vandaar dat wetenschappers ervan dromen om ook de zwaartekracht in deeltjes uit te drukken. Eerder leek het er echter op dat de deeltjes die de zwaartekracht overdragen, gravitonen genaamd, met geen mogelijkheid te vinden zijn. Nu ziet de Amerikaanse fysicus Maulik Parikh, bijgestaan door kosmoloog George Zahariade en Nobelprijswinnaar natuurkunde Frank Wilczek, tóch een uitweg.

Onmogelijk zwaar

Dat gravitonen onvindbaar zijn, betoogde de in februari 2020 overleden natuurkundige Freeman Dyson een aantal jaren geleden. Hij baseerde zich daarbij op detectoren zoals LIGO en Virgo, die sinds 2015 al meer dan vijftig zwaartekrachtsgolven hebben gemeten. Zo’n golf kun je zien als opgebouwd uit gravitonen. Hoe goed, vroeg Dyson zich vervolgens af, zou een LIGO-achtig apparaat dan moeten zijn om een zwaartekrachtsgolf van één enkel graviton te kunnen zien?

Onmogelijk goed, was zijn conclusie. Wil je een dergelijk minigolfje kunnen meten, dan moet je de spiegels in zo’n detector heel zwaar maken. Zijn ze niet zwaar genoeg, dan trillen ze namelijk ten gevolge van quantummechanische effecten te veel om een zwaartekrachtsgolf van één graviton op te kunnen merken. Maar spiegels die zwaar genoeg zijn om geen last te hebben van zulke quantumtrillingen kunnen helemaal niet bestaan, becijferde Dyson. Lang voordat ze de vereiste massa hebben, storten ze door hun extreem hoge massa in tot zwarte gaten. Weg spiegels, weg kans om gravitonen te meten.

Vervolgens bekeek Dyson nog wat andere manieren om gravitonen te meten. Steeds was het resultaat: het kán simpelweg niet – zelfs niet als we fantaseren over apparaten die we pas over miljoenen jaren kunnen bouwen. Is het dan wel zinnig om over gravitonen te speculeren, besloot hij zijn betoog, als de natuur ons ze op geen enkele manier laat waarnemen?

Terug naar Einstein

Parikh vroeg zich echter af: moet je wel één enkel graviton meten om vast te kunnen stellen dat de zwaartekracht in zulke deeltjes uit te drukken is? Denk terug aan de jonge Einstein, schrijven hij en zijn twee collega’s in een recent wetenschappelijk artikel. Die wist al in 1905 aannemelijk te maken dat moleculen bestaan, toen die nog op geen enkele manier direct waar te nemen waren. In plaats daarvan richtte Einstein zich op stuifmeelkorrels die in een vloeistof rondzweefden. Uit de grillige bewegingen van deze relatief grote deeltjes leidde hij af dat ze continu van alle kanten werden gebombardeerd door watermoleculen.

gravitonen
Volgens de Amerikaanse natuurkundige Maulik Parikh kunnen we gravitonen misschien waarnemen door de ‘ruis’ die ze veroorzaken als ze in grote aantallen door detectoren voor zwaartekrachtsgolven reizen. © Arizona State University

Op een vergelijkbare manier zouden grote hoeveelheden gravitonen zich kunnen doen gelden als ze, in de vorm van een zwaartekrachtsgolf, door een LIGO-achtige detector gaan. Waar een ‘normale’ zwaartekrachtsgolf – eentje die niet uit gravitonen bestaat – de armen van zo’n L-vormige detector simpelweg heel kort doet krimpen of uitzetten, brengt een uit talloze gravitonen opgebouwde golf een extra bibbering met zich mee in die kortstondige beweging. Een bibbering die je zou kunnen meten, en die dus duidt op het bestaan van gravitonen, zonder dat je een enkel graviton hoeft waar te nemen.

Oerknalgolven

Dat wil zeggen: als je te maken hebt met precies het juiste type zwaartekrachtsgolf. Bij een golf die door samensmeltende zwarte gaten of neutronensterren is uitgezonden, blijkt dat gravitonen-gebibber dermate miniem te zijn dat je er net zomin iets van merkt als bij een golf van één graviton. En laten dat nu de enige zwaartekrachtsgolven zijn die we tot nu toe hebben gezien. Maar stel nu dat we op een gegeven moment andersoortige zwaartekrachtsgolven meten, bijvoorbeeld afkomstig uit het heelal van vlak na de oerknal. Die zouden hun gravitonenaard wél kunnen verraden als een experiment ze oppikt, schrijven Parikh en consorten.

Die conclusie roept allerlei nieuwe vragen op. Bestaat het type zwaartekrachtsgolven waar Parikh zijn hoop op heeft gevestigd? Geen idee. En stel dát ze bestaan, kunnen huidige of toekomstige detectoren hun gravitonengebibber dan onderscheiden van alle andere ruis die zo’n supergevoelig apparaat meet? Geen idee.

Desondanks biedt het artikel hoop. Wat Dyson nog afschilderde als een klus die überhaupt nooit geklaard kan worden, doet Parikh klinken als een ontzettend uitdagende klus die heel misschien iets op kan leveren. Toch een stapje in de goede richting.

Deze Far Out staat ook in KIJK 3/2021.

Tekst: Jean-Paul Keulen

Bronnen: arXivQuanta magazine, ASU, World Scientific

Beeld: Y. Gominet/Paris Observatory/NASA

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 







Podcast KIJK en luister via JUKE



Meer Artikelen