גרביטון

רקע

קיומם של גרביטונים הוצע, בין היתר, מכיוון שתאוריות שדה קוונטיות הצליחו מאוד בתיאור כוחות היסוד האחרים. לדוגמה, אלקטרודינמיקה קוונטית מוסברת על ידי חלקיקים, פוטונים, הנושאים את הכוח האלקטרומגנטי ומהווים את הקוונטום של השדה האלקטרומגנטי. פוטונים מגיבים עם כל החלקיקים בעלי המטען החשמלי. תגובות אלו הן המקור גם לביטויים המאקרוסקופיים של הכוח האלקטרומגנטי. באופן דומה, כרומודינמיקה קוונטית מתארת את הכוח החזק, הנישא על ידי גלואונים. דינמיקת טעם קוונטית (quantum flavordynamics) מתארת את הכוח החלש, הנישא על ידי בוזוני W ו-Z. אם כן, שלושה מבין ארבעת הכוחות היסודיים מתוארים במסגרת תאוריית שדה קוונטית ונישאים על ידי חלקיקים.
לנוכח הצלחה זו של תאוריות השדה הקוונטיות, קיימת שאיפה לתאר גם את הכוח הרביעי, הכבידה, כתופעה קוונטית הנישאת על ידי חלקיקים. אולם, הדבר אינו מובן מאליו, מכיוון שהוא דורש איחוד של תורת השדות הקוונטית עם תורת היחסות הכללית, שהיא התיאור המדויק ביותר של תופעת הכבידה. לפי תורת היחסות הכללית, הכבידה כלל אינה כוח הדומה לשלושת האחרים, המתקיימים בתוך המרחב-זמן. לעומתם, הכבידה מהווה שינוי בצורתו של המרחב-זמן עצמו.
מכיוון ששתי הגישות כה שונות זו מזו, איחוד שלהן, אם הוא אפשרי, מהווה משימה תאורטית וניסויית קשה ביותר. עם זאת, הגיוני לשער כי לכבידה יש תכונות קוונטיות: לפי המודל המקובל כיום, ארבעת הכוחות היסודיים היו מאוחדים עד זמן פלאנק, כ-‎5.39×10⁻⁴⁴‎ שניות לאחר תחילת המפץ הגדול. כעבור זמן זה, הכבידה נפרדה מהכוחות האחרים. כדי לברר באופן ניסויי את פרטי הישות הפיזיקלית שהתקיימה בזמן פלאנק, יש להעניק לחלקיק קוונטי את אנרגיית פלאנק, כ-‎1.22×10²⁸ eV‎. זו גדולה פי כ-‎10¹⁵‎ מהאנרגיה הגבוהה ביותר המושגת במאיץ חלקיקים ארצי ופי כ-‎4×10⁷‎ מהאנרגיה של הקרניים הקוסמיות האנרגטיות ביותר שנצפו אי פעם. לכן, לא ניתן לבחון כיום בניסוי את העולם בו תורת השדות הקוונטית ותורת היחסות הכללית היו מאוחדות.

אפשרות גילוי ותכונות

הגרביטון הוא חלקיק שקיומו משוער, אך הוא מעולם לא נצפה בניסוי. נראה כי באמצעות הטכנולוגיות והגישות הזמינות כיום, כל ניסיון לגלות גרביטון יחיד נועד לכישלון. זאת, מכיוון שכוח הכבידה חלש מאוד בהשוואה לכוחות האחרים: הכבידה חלשה פי כ-‎10³⁸‎ מהכוח החזק ופי כ-‎10³⁶‎ מהכוח האלקטרומגנטי. לכן, קבוע הצימוד וחתך הפעולה של הגרביטון נמוכים במידה קיצונית. כתוצאה מכך, אפילו גלאי היפותטי עם המסה של כוכב הלכת צדק, שיהיה מוצב במסלול קרוב סביב כוכב נייטרונים (גוף שכבידתו חזקה מאוד) ובעל יעילות של 100%, צפוי לגלות רק גרביטון אחד פעם ב-10 שנים. יהיה בלתי אפשרי להבחין בין אירוע זה לבין רעש הרקע של חלקיקי ניוטרינו, מכיוון שמסת המגן שידרש כדי לחסום את אותם חלקיקים תהיה כה גבוהה עד שהמגן יקרוס לחור שחור.
עם זאת, ניתן להסיק אודות תכונותיהם של גרביטונים מתצפית על גלי כבידה. כך, ניתוח של גלי כבידה שנצפו ב-LIGO ב-2017 העלה כי אם לגרביטון יש מסה, היא נמוכה מאוד ולא עולה על ‎7.7×10⁻²³ eV‎. הכבידה עצמה מתפשטת במהירות האור ועל כן, גרביטונים נעים במהירות האור. אם לגרביטון אין מסה ומכיוון שלפי תצפיות מאקרוסקופיות, השפעתו הכבידתית של עצם מתפשטת למרחק אינסופי, הרי לגרביטון, כמו לפוטון, יש טווח פעולה אינסופי.

אנרגיה ואורך גל

כל חלקיק קוונטי נושא אנרגיה ויש לו אורך גל כלשהו. צורת האנרגיה הקשורה לכוח הכבידה היא אנרגיה כבידתית. ביטויים שונים של כבידה, לרבות גלי כבידה, הם תופעות אנרגטיות. לדוגמה, אירוע מיזוג החורים השחורים GW170104 הקרין גלי כבידה עם אנרגיה כוללת של כ-2 מסות שמש. לפיכך, אף אם הגרביטון נטול מסה, נראה כי הוא נושא אנרגיה. גם החלקיקים נטולי המסה האחרים נושאים אנרגיה – אנרגיית פוטון ואנרגיית גלואון. כיום, לא ברור על פי איזו נוסחה יהיה ניתן לחשב אנרגיית גרביטון של חלקיק בודד ומה עשוי להיות ספקטרום האנרגיה של הגרביטונים ביקום, או אלו הנובעים מסוגי עצמים מסוימים.
לחלופין, אם לגרביטון יש מסה ולו זעירה, הרי כמו חלקיקים מסיביים אחרים, הוא נושא אנרגיה בהתאם לשקילות המסה והאנרגיה. לפי תצפיות על גלי כבידה, נמצא כי אורך גל קומפטון של הגרביטון הוא לכל הפחות ‎1.6×10¹⁶ מטר‎, או כ-1.6 שנות אור. על כן, מסת הגרביטון היא לכל היותר ‎7.7×10⁻²³ eV‎. יחס זה בין אורך גל למסה-אנרגיה מחושב לפי נוסחת פלאנק-איינשטיין, אותה נוסחה המקשרת בין אורך גל אלקטרומגנטי לאנרגיית פוטון. אולם, קיים הבדל משמעותי בין פוטונים לגרביטונים בהיבט זה, שכן אורך הגל של הגרביטון אינו שווה לאורך גל הכבידה שלפיו נמדד, אלא גבוה ממנו בסדרי גודל רבים. ייתכן שגרביטונים אינם הקוונטום של גלי כבידה, או שמתקיים בין שתי התופעות יחס אחר. מכל מקום, הסברה הנפוצה היא שאין לגרביטון מסה כלל.