Wie schwer kann ein Graviton sein?

Wissenschaftler versuchen, die Eigenschaften des  Gravitons zu bestimmen - eines hypothetischen Teilchens, das eine Gravitationswechselwirkung ausübt. In einer im Journal of High Energy Astrophysics veröffentlichten Arbeit haben Prof. Marek Biesiada und Kollegen aus einer Analyse von 12 Galaxienhaufen eine neue Einschränkung für die Masse des Gravitons abgeleitet. Sie ist um sieben Größenordnungen stärker als die Einschränkungen, die sich aus den Beobachtungen der  Gravitationswellen ergeben.

Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) hat unsere Vorstellungen von der Schwerkraft verändert. Nach der ART krümmt die Materie die Raumzeit, und alle Objekte bewegen sich in dieser gekrümmten Raumzeit entlang bestimmter Bahnen, die Geodäten genannt werden, sofern sie nicht durch andere, nichtgravitative Wechselwirkungen beeinflusst werden. Für nicht sehr große Krümmungen der Raumzeit und kleine Geschwindigkeiten, verglichen mit der Lichtgeschwindigkeit, reproduziert Einsteins Theorie das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation, das wir immer noch erfolgreich nutzen, um die Bewegung von Planeten oder Sternen in Galaxien zu beschreiben.

Wir wissen, dass die anderen drei fundamentalen Wechselwirkungen - die elektromagnetische Wechselwirkung mit großer Reichweite sowie die schwache und die starke Wechselwirkung, die die Materie auf subatomarer Ebene steuern - quantenmechanischer Natur sind. In der Quantenbeschreibung beinhaltet eine Wechselwirkung den Austausch des Teilchens (Bosons), das sie trägt. Für den Elektromagnetismus ist dies das Photon - ein Lichtteilchen, ein Quant der elektromagnetischen Welle. Für die starke und die schwache Wechselwirkung sind es die Gluonen bzw. Bosonen Z und W. Seit über hundert Jahren versuchen die Physiker, die universelle Gravitation auf dieselbe Weise zu betrachten und suchen nach einer Quantentheorie der Gravitation. In Analogie zu anderen Wechselwirkungen wäre ein hypothetisches Gravitationsträgerteilchen das so genannte Graviton. Aufgrund der unendlichen Reichweite der gravitativen Wechselwirkung, die mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, müsste das Graviton - wie das Photon - masselos sein. Dies sind jedoch nur theoretische Vorhersagen, die experimentell überprüft werden müssen.

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Wenn man die Eigenschaften eines hypothetischen Gravitons untersucht, kann man die umgekehrte Frage stellen: Welche beobachtbaren Konsequenzen sollten in dem uns zur Verfügung stehenden Bild des Universums und seiner Dynamik auftauchen, wenn das Graviton andere Eigenschaften hätte als wir erwarten - zum Beispiel, wenn es eine sehr kleine, aber von Null verschiedene Masse hätte? Wenn die Beobachtungsdaten - die immer mit Unsicherheiten behaftet sind - mit der Hypothese eines masselosen Gravitons übereinstimmen, dann erlaubt es die mit diesen Daten verbundene Unsicherheit, die maximale Masse des Gravitons im Voraus abzuschätzen, d. h. sie erlaubt es, die Frage zu beantworten, wie leicht das Graviton sein kann, so dass die Konsequenzen seiner Masse noch nicht im Widerspruch zu den Beobachtungsdaten stehen. In einer im Journal of High Energy Astrophysics veröffentlichten Arbeit haben Prof. Marek Biesiada vom NCBJ zusammen mit Dr. Aleksandra Piórkowska-Kurpas von der Universität Schlesien und Prof. Shuo Cao von der Bejing Normal University eine Einschränkung für die Gravitonmasse mg < 5-10^-29 eV gefunden.


Jedem Teilchen ist eine charakteristische Länge, die sogenannte Compton-Wellenlänge, zugeordnet, die umgekehrt proportional zu seiner Masse ist, erklärt Prof. Marek Biesiada. Je größer die Masse ist, desto kleiner ist die Wellenlänge dieser Welle. Bei Teilchen, die Wechselwirkungen eingehen, bestimmt die Compton-Wellenlänge die Reichweite der Wechselwirkung. Null Masse bedeutet unendliche Compton-Wellenlänge, d.h. unendliche Reichweite. Im Falle des Elektromagnetismus sagt die Theorie voraus, dass das Photon masselos sein sollte. Das Gleiche gilt für die Schwerkraft. Der Test der Masse des Gravitons ist also ein Test der Theorie. Sie sind ein sehr wichtiger Test, da einige Forscher Theorien vorgeschlagen haben, die die ART modifizieren und vorhersagen, dass der Bereich der gravitativen Wechselwirkung endlich sein sollte. In solchen Theorien wird das Newtonsche Potenzial modifiziert: Bei großen Entfernungen nimmt die Gravitationskraft schneller ab als mit dem Quadrat der Entfernung.