Auf der Jagd nach Gravitonen

Subtile Signale: Wie könnte man die noch unerkannten Trägerteilchen der Schwerkraft nachweisen? Eine Idee dazu hat nun ein US-Physiker vorgestellt. Demnach könnten diese Gravitonen bei Kollisionen von Gravitationswellen in schwache Radiosignale umgewandelt werden. Diese wären mit künftigen Radioteleskopen möglicherweise detektierbar, wie der Forscher erklärt. Aus den Merkmalen dieser Signale könnte man dann auf die Natur der Gravitonen schließen.

Nach dem Standardmodell der Physik werden alle Grundkräfte von Trägerteilchen, sogenannten Eichbosonen, vermittelt – bei der starken Kernkraft sind dies Gluonen, beim Elektromagnetismus Photonen. Doch die Schwerkraft entzieht sich diesem Schema: Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein ist die Gravitation untrennbar mit der Geometrie der Raumzeit verknüpft. Doch wenn die Quantenphysik gilt, muss sie trotzdem ein Trägerteilchen besitzen.

Wo stecken die Gravitonen?

Das Problem: Von diesem Trägerteilchen – dem Graviton – gibt es bisher keine Spur. Zwar haben Physiker schon einige seiner mutmaßlichen Eigenschaften über Modelle ermittelt. Nach diesen müsste das Graviton einen zweizähligen Spin besitzen, ähnlich masselos sein wie ein Photon und sein eigenes Antiteilchen sein. Wenn zwei Gravitonen kollidieren, müssten sie sich demnach auslöschen – ähnlich wie es auch für die hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie angenommen wird.

Doch wie die Gravitation auf Quantenebene wirkt und wo sich ihre Trägerteilchen verstecken, ist bislang ein Rätsel. Denn um dieses zu lösen, müsste man Einsteins Raumzeit quanteln: So wie ein Photon die kleinste Einheit des Lichts ist, wäre dann das Graviton die kleinste Einheit der Schwerkraft. Zwar versuchen Theorien wie die Schleifen-Quantengravitation, diese Vereinheitlichung zumindest auf dem Papier zu erzielen. Von einem experimentellen Nachweis der Gravitonen ist man aber noch weit entfernt.

Aus Gravitonen werden Radiophotonen

An diesem Punkt setzt nun Ray Sawyer von der University of California in Santa Barbara an. Seine Idee: Möglicherweise könnten Gravitationswellen dabei helfen, die mysteriösen Gravitonen aufzuspüren. Denn seinen Modellrechnungen zufolge können diese Raumzeitwellen beispielsweise im nahen Umfeld zweier verschmelzender Schwarzer Löcher so kollidieren, dass dabei nachweisbare Mengen an Photonen freiwerden.

„In dichten Wolken aus reinen Gravitonen gibt es kollektive Effekte, die unter den richtigen Bedingungen zu einer reichhaltigen Produktion von Photonen führen können“, erklärt Sawyer. Dafür
müssen in dem Gebiet, in dem die Gravitationswellen entstehen, schon vorher einige Radiophotonen einer bestimmten Wellenlänge und Phase präsent sein. Denn nur dann kommt es zu Quantenprozessen, die zur Konversion der Gravitonen in Radiophotonen führen – und damit zu einem potenziell nachweisbaren Signal.

Auf die Gravitationswellen kommt es an

Und noch eine Vorrausetzung gibt es: Das auslösende Ereignis muss über längere Zeit hinweg sehr viel Energie in Form von Gravitationswellen freisetzen. Die bisher von Detektoren wie LIGO nachgewiesenen Wellenschübe sind dafür allerdings um das Zehnfache zu kurz, wie der Physiker erklärt. Doch die Gravitationswellenphysik steht erst am Anfang – hier kann sich in Zukunft noch einiges tun.

„Das wichtigste Ergebnis meiner Berechnungen ist die Möglichkeit, über diese Effekte die Quantennatur des Gravitationsfelds zu verifizieren“, sagt Sawyer. Denn wenn man die von den Gravitonen erzeugten Radiophotonen nachweisen könnte, verriete dies auch einiges darüber, wo und wie die Raumzeit gequantelt ist und wo das lange gesuchte Graviton steckt.

Künftig nachweisbar?

Doch wie ließen sich diese Radiophotonen nachweisen? Die erste Frage ist, wo man nach ihnen suchen soll. „Wir wissen noch nicht, ob Kollisionen Schwarzer Löcher die besten Orte dafür wären“, sagt Sawyer. „Es gibt ja noch viele andere Arten ultraenergetischer Ereignisse dort draußen, wie wir inzwischen wissen.“ Detailliertere Modellsimulationen mit Supercomputern könnten verraten, welche dieser Ereignisse die „richtigen“ Gravitationswellen erzeugen könnten.

Das zweite Problem sind die Werkzeuge: Die heutigen Radioteleskope sind wahrscheinlich noch nicht leistungsfähig genug, um die von den Gravitationswellen freigesetzte Radiostrahlung einzufangen, wie der Physiker erklärt. Es könnte aber sein, dass künftige weltraumbasierte Radiosatelliten die nötige Sensitivität besitzen werden. Bis dahin allerdings werden die Gravitonen wohl weiterhin eines der großen Rätsel der Physik bleiben. (Physical Review Letters, 2020; doi: 10.1103/PhysRevLett.124.101301)

Quelle: American Physical Society (APS), University of California Santa Barbara