Gravitone
Ci si aspetta che un'ipotetica particella della forza, il gravitone (G), sia il mediatore della gravità in modo simile a quanto accade per le forze elettromagnetiche, deboli e forti dove le forze sono dovute alla scambio di bosoni di gauge: rispettivamente il fotone, i bosoni deboli W e Z e i gluoni.
Alcuni nuovi scenari oltre il Modello Standard, che si basano su extra dimensioni spaziali, predicono l'esistenza di eccitazioni del gravitone. Se dovessero esistere, ci si aspetta che alcune rinosananze pesanti visibili attraverso la massa invariante dei prodotti di decadimento vengano prodotte a LHC. Dato che il gravitone si accoppia all'energia-momento (e non alla massa come suggerisce la teoria di Newton), dovrebbe decadere in coppie di leptoni, quark e bosoni, incluso coppie di fotoni e coppie di gluoni, nonostante il fotone e il gluone siano senza massa.
Particolarmente interessanti per il percorso Z sono i decadimenti del gravitone in stati finali con di-leptoni, di-fotoni, e 4-leptoni (ZZ), che furono usati per misurare il bosone Z, scoprire il bosone di Higgs, e cercare l'ipotetico bosone di gauge Z'.
Ricordiamo che l'identificazione dei bosoni Z e Z' è simile, nonostante abbiano masse molto differenti; entrambi decadono in di-leptoni e nessuno dei due decade in di-fotoni. Il bosone di Higgs decade in di-fotoni e ZZ (4-leptoni); nonostante si sia osservato il decadimento in coppie di leptoni pesanti (tau), il decadimento in di-elettroni e di-muoni è fortemente soppresso perchè questi leptoni sono leggeri e la particella di Higgs, contrariamente al gravitone, si accoppia alla massa!
Un attimo, questo può creare confusione. La massa invariante mi dice di aver identificato particelle sconosciute o nuove, ma come faccio a sapere cosa ho scoperto?
Dobbiamo fare affidamento, oltre che sulla carica elettrica e sulla massa, su una proprietà intrinseca fondamentale delle particelle di cui potresti aver già sentito parlare o aver usato, lo spin.
Il fotone, la Z e la Z' hanno spin 1, la particella di Higgs ha spin 0 e il gravitone ha spin 2. Se ti stupisce il fatto che il gravitone abbia spin 2 e il fotone spin1, pensa alla differenza fra le due forze. La gravità, a differenza dell'elettromagnetismo, è solamente attrattiva.
La teoria dello spin è governata (insieme con altre proprietà che non abbiamo ancora incontrato) dalla Meccanica Quantistica. I decadimenti delle particelle soddisfano alcune leggi di conservazione, come la conservazione della carica elettrica, dell'energia e del momento. La conservazione del momento angolare e dello spin si aggiungono ed impongono dei vincoli sui decadimenti delle particelle permessi. Il bosone di Higgs può decadere in 2 particelle di spin-1 o 2 particelle di spin-1/2 (ricorda che il decadimento del Higgs in coppie di elettroni o muoni non si osserva perchè la massa di questi leptoni è troppo leggera). I bosoni Z e Z' possono decadere in 2 particelle di spin-1/2 ma non in 2 particelle di spin-1. Il gravitone può decadere in 2 particelle di spin-1/2 o 2 particelle di spin-1.