Übertragen Gravitonen die Gravitationskraft?

Um diese Frage zu beantworten, sollte zunächst geklärt werden, was Gravitonen sind. Das Standardmodell der Physik umfasst 17 Teilchen, welche den Aufbau der Materie und die Grundkräfte, die zwischen Teilchen der Materie wechselwirken, erklären. Für eine der fundamentalen Wechselwirkungen, der Gravitation, konnte bisher kein sogenanntes Austauschboson zur Übertragung der Kräfte nachgewiesen werden. Dieses bis heute nicht nachgewiesene Teilchen wird „Graviton“ genannt. Das Graviton wird als masseloses Teilchen der Spin-Zahl 2 beschreiben. Andere schon bekannte Eichbosonen (Austauschteilchen) haben herkömmlicherweise die Spin-Zahl 1 [1].

Ähnlich wie bei Photonen wird erwartet, dass die Ruhemasse des Gravitons null ist, da die Gravitation, genauso wie elektromagnetische Wechselwirkungen, prinzipiell eine unendliche Reichweite besitzt. Außerdem wird vermutet, dass sich Gravitonen ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wichtig ist, dass sie nicht mit den sogenannten unquantisierten Gravitationswellen verwechselt werden dürfen, denn diese folgen aus den Einsteinschen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, einer unquantisierten Theorie. Die Gravitonen sind Quanten und müssen somit mit quantenfeldtheoretischen Konzepten beschrieben werden [3].

Das Problem aus experimenteller Sicht ist die extreme Schwäche dieser gravitativen Kräfte. Um die Gravitonen dennoch aufspüren zu können, wurden immer empfindlichere Geräte entwickelt, wie z.B. LIGO, das Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory. LIGO nutzt höchst sensible Interferometer, um auch kleinste Veränderungen im Ereignisraum aufzuspüren und so Gravitationswellen nachzuweisen. Denn sobald eine Gravitationswelle die hochkonzentrierten Laserstrahlen passiert, verändert sich der Ereignisraum und es kommt zu einer Phasenverschiebung der Teilwellen des Laserlichts und somit der Intensität des Lichts, was sich wiederrum messen lässt. Das Problem ist, dass selbst dieser Effekt schon extrem klein ist und die Sensibilität bei der Messung von Gravitonen noch deutlich verstärkt ist [2].

Es gibt eine Vielzahl von Theorien rund um die Gravitonen, z.B. die Annahme, dass Gravitonen nicht masselos sind, sondern dass es eine Obergrenze für die Gravitonenmasse geben müsste, oder dass sich die Gravitation in einem höherdimensionalen Raum, dem 3-Bran plus Extradimensionen, dem Bulk, ausbreiten kann. Letztere Theorie hätte die Konsequenz, dass Gravitonen, die in hochenergetischen Stößen (Teilchenbeschleunigern) entstehen, in Extradimensionen verschwinden und Energie forttragen könnten. Die verschiedenen Theorien werden unteranderem in Teilchenbeschleunigern versucht zu überprüfen, um letztlich vielleicht doch irgendwann Gravitonen zu entdecken [3], [4], [5], [6], [7], [8].

[1] Max-Planck-Institut für Physik: Gravitationstheorie: Auf den Spuren der Gravitationskraft (Link: https://www.mpp.mpg.de/forschung/aufbau-der-materie/gravitationstheorie/), aufgerufen am 25.06.2020

[2] Jogelakar, Ashutosh: Gravitonen: Entpuppt sich die Suche nach der Weltformel als Hirngespinst? (Link: https://www.spektrum.de/kolumne/entpuppt-sich-die-suche-nach-der-weltformel-als-hirngespinst/1193613), aufgerufen am 25.06.2020

[3] Lexikon der Astronomie: Graviton (Link: https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/graviton/158), aufgerufen am 25.06.2020

[4] Kostelecky, V. Alan; Samuel, Stuart: Photon and graviton masses in string theories; Phys. Rev. Lett. 66, 1811; 08.04.1991

[5] Van Dam, H.; Veltman, M.: On the mass of the graviton; General Relativity and Gravitation, 1972

[6] Corley, Steven; Lowe, David A.; Ramgoolam, Sanjaye: Einstein-Hilbert action on the brane for the bulk graviton; Journal of High Energy Physics, Volume 2001; 29.08.2001

[7] Davoudiasl, Hooman; Rizzo, Thomas G.: Bulk physics at a graviton factory; Physics Letters B, Volume 512; 12.07.2001

[8] Kanti, P.; Kodama, R. A.; Pappas, N.; Zhdenko, A.: Graviton emission in the bulk by a simply rotating black hole; Phys. Rev. D 80, 084016; 14.10.2009

Weiterführende Literatur:

[9] Adam, Z. R.: Evidence of gravitons as fused photons in four dimensions; 06/2009

[10] Bern, Z.; De Freitas, A.; Wong, H. L.: On the Coupling of Gravitons to Matter; 12/1999

[11] Boulanger, Nicolas; Damour, Thibault; Gualtieri, Leonardo; Henneaux, Marc: Inconsistency of interacting, multi-graviton theories; Nuclear Physics B, Volume 597; 12.03.2001

[12] Penrose, Roger: The nonlinear graviton; General Relativity and Graviton 7; 02/1976

[13] Kan, Nahomi; Shiraishi, Kiyoshi: Multi-graviton theory, a latticized dimension and the cosmological constant, Classical and Quantum Gravity, Volume 20, Number 23; 17.10.2003

[14] Becker, Katrin; Becker, Melanie; Polchinski, Joseph, Tseytlin, Arkady: Higher order graviton scattering in M(atrix) theory; Phys. Rev. D 56, R3174; 15.09.1997