(Phys.org)—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 diverse forme chiamate onde gravitazionali di tipo "g" e "f". I fisici spiegano che questo fenomeno è analogo al modo in cui i neutrini oscillano tra tre sapori distinti:elettrone, muone, e tau. Le onde gravitazionali oscillanti sorgono in una teoria modificata della gravità chiamata gravità bimetrica, o "bigravità, " e i fisici mostrano che le oscillazioni potrebbero essere rilevabili in esperimenti futuri.

I ricercatori, Kevin Max, un dottorando della Scuola Normale Superiore di Pisa e dell'INFN Pisa, Italia; Moritz Plascher, uno studente di dottorato presso il Max Planck Institute for Nuclear Physics, Germania; e Juri Smirnov, un postdoc presso l'Università di Firenze, Italia, hanno pubblicato un articolo sulla loro analisi delle oscillazioni delle onde gravitazionali in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

Come spiegano i fisici, il lavoro può aiutare a rispondere alla domanda su cosa sia fatto "l'altro 95%" dell'universo, suggerendo che la risposta potrebbe risiedere nelle modifiche alla gravità piuttosto che in nuove particelle.

"Solo il 5% della materia è di un tipo che pensiamo di comprendere correttamente, " ha detto Smirnov Phys.org . "Per affrontare la questione di cosa sia fatto il nostro universo ("materia oscura" ed "energia oscura"), la maggior parte degli autori discute modelli alternativi di fisica delle particelle con nuove particelle. Però, esperimenti come quelli dell'LHC [Large Hadron Collider] non hanno rilevato particelle esotiche, ancora. Ciò solleva la questione se forse il lato gravitazionale debba essere modificato.

"Nel nostro lavoro, ci chiediamo quali segnali possiamo aspettarci da una modifica della gravità, e si scopre che la bigravità presenta un tale segnale unico e può quindi essere discriminata da altre teorie. La recente rilevazione di onde gravitazionali da parte di LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] ha aperto per noi una nuova finestra sui settori oscuri dell'universo. Se la Natura ha scelto la relatività generale, grande gravità, o qualsiasi altra teoria è una domanda diversa alla fine. Possiamo solo studiare possibili segnali che gli sperimentali possono cercare".

Due gravitoni invece di uno

Attualmente, la migliore teoria della gravità è la teoria della relatività generale di Einstein, che utilizza una singola metrica per descrivere lo spaziotempo. Di conseguenza, le interazioni gravitazionali sono mediate da una singola ipotetica particella chiamata gravitone, che è privo di massa e quindi viaggia alla velocità della luce.

La principale differenza tra la relatività generale e la bigravità è che la bigravità usa due metriche, g e f. Considerando che g è una metrica fisica e si accoppia alla materia, f è una metrica sterile e non si accoppia alla materia. In grande gravità, le interazioni gravitazionali sono mediate da due gravitoni, uno dei quali ha massa e l'altro è senza massa. I due gravitoni sono composti da diverse combinazioni (o sovrapposizioni) delle metriche g e f, e così si accoppiano alla materia circostante in modi diversi. L'esistenza di due metriche (e due gravitoni) nel quadro della bigravità porta alla fine al fenomeno dell'oscillazione.

Come spiegano i fisici, l'idea che possa esistere un gravitone con massa esiste da quasi lo stesso tempo della relatività generale.

"La teoria della relatività generale di Einstein prevede un mediatore (il 'gravitone') delle interazioni gravitazionali, che viaggia alla velocità della luce, cioè., che è senza massa, " disse Max. "Alla fine degli anni '30, le persone stavano già cercando di trovare una teoria contenente un mediatore che ha una massa, e quindi viaggia ad una velocità inferiore a quella della luce. Questo si è rivelato un compito molto difficile ed è stato portato a termine solo di recente nel 2010. Bigravity è una variazione di questo quadro del 2010, che non ne presenta uno, ma due metriche dinamiche. Solo uno di loro è importante mentre l'altro no; e una loro combinazione lineare diventa massiccia (più lenta della velocità della luce) mentre l'altra è priva di massa (velocità della luce)."

oscillazioni

I fisici dimostrano che, nel quadro della biggravità, quando le onde gravitazionali si producono e si propagano nello spazio, oscillano tra i tipi g e f, sebbene solo il tipo g possa essere rilevato. Sebbene ricerche precedenti abbiano suggerito che queste oscillazioni potrebbero esistere, sembrava portare a risultati non fisici, come una violazione del risparmio energetico. Il nuovo studio mostra che le oscillazioni possono teoricamente emergere in uno scenario fisico realistico quando si considerano masse di gravitoni sufficientemente grandi da essere rilevate dagli attuali test astrofisici.

Per comprendere queste oscillazioni, gli scienziati spiegano che in molti modi assomigliano alle oscillazioni dei neutrini. Sebbene i neutrini siano di tre tipi (elettroni, muone, e tau), tipicamente i neutrini prodotti nelle reazioni nucleari sono neutrini elettronici (o antineutrini elettronici) perché gli altri sono troppo pesanti per formare materia stabile. In un modo simile, in grande gravità solo la g metrica si accoppia alla materia, quindi le onde gravitazionali prodotte da eventi astrofisici, come 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 autostati di massa dei neutrini, " ha spiegato Platscher. "Più matematicamente parlando, la matrice di massa non è diagonale nella base del sapore (elettrone-muon-tau). Perciò, l'equazione delle onde che descrive come si muovono nello spazio li confonderà e quindi "oscillano".

"Lo stesso vale per la bigravità:g è una miscela del gravitone massiccio e del gravitone senza massa, e quindi mentre l'onda gravitazionale viaggia attraverso l'Universo, oscillerà tra onde gravitazionali di tipo g e f. Però, possiamo misurare il primo solo con i nostri rilevatori (che sono fatti di materia), mentre quest'ultimo passerebbe attraverso di noi non visto! Questo sarebbe, se la bigravità è una corretta descrizione della Natura, lasciare un'impronta importante nel segnale dell'onda gravitazionale, come abbiamo mostrato».

Come notano i fisici, la somiglianza tra neutrini e onde gravitazionali vale anche se l'oscillazione del neutrino è un fenomeno quantomeccanico descritto dall'equazione delle onde di Schrödinger, mentre l'oscillazione dell'onda gravitazionale non è un effetto quantistico e invece è descritta da un'equazione d'onda classica.

Un effetto particolare che i fisici prevedono è che le oscillazioni delle onde gravitazionali portano a modulazioni di deformazione maggiori rispetto a quelle previste dalla relatività generale. Questi risultati suggeriscono un percorso verso il rilevamento sperimentale delle oscillazioni delle onde gravitazionali e la ricerca di supporto per la bigravità.

"Dal momento che la bigravità è una teoria molto giovane, c'è ancora molto da fare, e il suo potenziale per affrontare le carenze delle nostre teorie deve essere esplorato, " ha detto Smirnov. "C'è stato del lavoro in questo senso, ma sicuramente c'è ancora molto da fare e speriamo di dare il nostro contributo anche in futuro!"

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