Graviton

Graviton
Klassifikation
Elementarteilchen Boson Eichboson
Eigenschaften
Ladung	neutral
Masse	0 (theoretisch) MeV/c2
Spin	2
mittlere Lebensdauer	∞ (theoretisch)
Wechselwirkung	Gravitation

Als Graviton bezeichnet man das hypothetische Eichboson einer Quantentheorie der Gravitation. Dieser Annahme zufolge ist es der Träger der Gravitationskraft.

Details

Der Name Graviton wurde in Anlehnung an das Photon der Elektromagnetischen Wechselwirkung gewählt. Auch einige der Eigenschaften des Gravitons (Ausbreitungsgeschwindigkeit, Masselosigkeit) entsprechen denen eines Photons. Sein Spin wird aufgrund von Überlegungen aus der Quantenfeldtheorie zu S=2 postuliert. In der Quantenelektrodynamik (QED) wirken Bosonen mit geradzahligem Spin zwischen gleichen Ladungen immer anziehend, während Bosonen, die ungeradzahligen Spin tragen, bei gleicher Ladung abstoßend wirken. In der Elektrodynamik wirkt das Photon mit Spin 1 zwischen zwei Elektronen, die beide jeweils eine Ladung von −e tragen, abstoßend. In Analogie dazu geht man im Fall der Gravitation davon aus, dass es nur Teilchen gleicher Ladung gibt (in Übereinstimmung mit der Erfahrung, dass die Gravitation immer anziehend wirkt) und postuliert deshalb das Graviton als Spin-2-Teilchen. In supersymmetrischen Modellen der Quantengravitation erhält das gewöhnliche Graviton massive bosonische Partner mit Spin 0 (Graviskalar) und Spin 1 (Gravivektor oder Graviphoton). Abhängig von ihren Massen, und damit ihren Reichweiten, könnten diese neuen Teilchen eine Änderung des normalen 1/r²-Kraftgesetzes der Gravitation zur Folge haben. Fermionische Partner sind in diesen Modellen mit Spin 1½ das Gravitino (Superpartner des Gravitons) und mit Spin ½ das Goldstino (dessen Superpartner ist mit Spin 0 das Sgoldstino).^[1][2]

Genau wie die elektromagnetische Strahlung durch die maxwellschen Gleichungen der Elektrodynamik beschrieben wird, ergibt sich aus den Einsteinschen Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie die Gravitationsstrahlung.

Analog zur Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung in der QED durch Photonen wurde schon früh spekuliert, dass eine entsprechende Quantisierung der Gravitationsstrahlung durch Gravitonen in einer bislang unbekannten Theorie der Quantengravitation existiert. Diese Quantisierung wird jedoch erschwert durch den Umstand, dass die Gravitation im Gegensatz zu allen anderen bekannten Strahlungen nicht abschirmbar ist und auf alle Massen wirkt, egal wo sie sich im Universum befinden, und zwar unmittelbar (Prinzip der gekrümmten Raumzeit). So ziehen sich weit voneinander entfernte Objekte auch dann gegenseitig an, wenn sich etwas zwischen ihnen befindet. Auch ist keine kleinste Menge Gravitation nachzuweisen, sie nimmt anscheinend beliebig kleine Werte an, und sogar sehr leichte Elementarteilchen unterliegen ihr. Das muss allerdings nicht heißen, dass es keine kleinste Menge Gravitation gibt.

Alle Versuche einer renormierbaren Quantenfeldtheorie der Gravitation sind gescheitert: Die Ultraviolettdivergenzen der Theorien ließen sich nicht beseitigen, auch nicht durch Übergang auf die supersymmetrische Formulierung der Supergravitation, bei der zusätzlich das Gravitino eingeführt wurde. Auch nicht durch Hinzufügen weiterer nichtphysikalischer Dimensionen, die unter anderem die Nicht-Abschirmbarkeit erklärt hätten, da Hindernisse in einem dreidimensionalen Raum aus einem höherdimensionalen Raum betrachtet keine Hindernisse mehr darstellen. Solomon Deser brachte diese negativen Ergebnisse 1999 zum Abschluss durch einen Nachweis der Nichtrenormierbarkeit der „Last-Hope“-Supergravitation in ganzen 11 Dimensionen.

Bei den zwei bislang rein hypothetischen Kandidaten einer Theorie der Quantengravitation, der Stringtheorie und der Loop-Quantengravitation, ergibt sich die Existenz eines Gravitons im Falle der Stringtheorie zwangsläufig, die Lage in der Loop-Quantengravitation ist weniger klar. Beide Theorien sind bislang nicht so weit entwickelt, dass sie experimentell bestätigt oder widerlegt werden könnten. So ist die Frage nach der Existenz eines Teilchens, das die Gravitationskraft trägt, weiter offen.

Ein häufig diskutiertes Problem ist die Frage, wie bzw. ob Gravitonen dem Ereignishorizont eines schwarzen Lochs entkommen können, denn dessen Gravitation verhindert selbst das Entkommen lichtschneller Teilchen. Allerdings ist das Graviton die Gravitation, bzw. Gravitation besteht aus Gravitonen, da sie das dazugehörige Eichfeld sind. Die Frage, ob Gravitonen die Gravitation eines schwarzen Lochs überwinden können, erübrigt sich damit, da diese Gravitation durch sie überhaupt erst „verursacht“ wird. Könnten Gravitonen die Schwerkraft eines schwarzen Lochs nicht überwinden, wäre das ein Widerspruch in sich, denn dann wäre diese Schwerkraft überhaupt nicht spürbar. Auch Gravitationswellen, die von Gravitonen verursacht werden, können schwarzen Löchern entkommen, wie eine finnische Forschergruppe am Quasar OJ 287 nachweisen konnte (siehe indirekte Nachweise von Gravitationswellen). (Es sei allerdings angemerkt, dass, während die Gravitonen, die die Gravitationswelle bilden, von den schwarzen Löchern ausgehen, die Welle, wie sie von den einsteinschen Feldgleichungen beschrieben wird, von der Rotation der schwarzen Löcher umeinander herrührt.)

Falls die Synthese von Gravitonen möglich wäre, ermöglichte dies die Herstellung der in der Science-Fiction oft erwähnten Künstlichen Schwerkraft.

Siehe auch

• Higgs-Boson

Weblinks

 Wiktionary: Graviton – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Nonrenormalizability of (Last Hope) D=11 Supergravity, with a Terse Survey of Divergences in Quantum Gravities

Einzelnachweise

1. ↑ Chris C. King: Dual-Time Supercausality. In: Physics Essays 2/2. 1989, S. 128-151 ([1]).
2. ↑ Andrea Brignole, Ferruccio Feruglio und Fabio Zwirner: Four-fermion interactions and sgoldstino masses in models with a superlight gravitino. In: CERN-TH/98-149, DFPD-98/TH/20. 31.08.1998, S. 9 ([2]).