Гравітон – гіпотетична частинка, яка несе гравітаційну силу – залишається недосяжною для вчених більше століття. Однак, фізики розробили експериментальну установку, яка, теоретично, може дозволити виявити ці крихітні квантові об’єкти.
Так само як фотони є носіями електромагнітного поля, гравітаційні поля можуть мати власні частинки-носії, які називаються гравітонами.
Проблема полягає в тому, що вони взаємодіють настільки слабо, що їх ніколи не вдавалося виявити, і деякі фізики вважають, що це неможливо.
Але нове дослідження, проведене науковцями зі Стокгольмського університету, є більш оптимістичним. Команда описала експеримент, який може зафіксувати явище, яке вони назвали “гравітофононним ефектом”, і вперше вловити окремі гравітони.
Експеримент передбачає охолодження величезного алюмінієвого бруска масою 1 800 кілограмів (майже 4 000 фунтів) до температури, близької до абсолютного нуля, підключення його до безперервних квантових сенсорів і терпляче очікування, поки гравітаційні хвилі не омиють цей об’єкт. Коли це станеться, прилад почне вібрувати на дуже малих рівнях, які сенсори можуть вловити у вигляді окремих дискретних стрибків енергії.
Кожен з цих стрибків (або квантових стрибків) означатиме виявлення одного гравітона.
Потенційний сигнал можна буде перевірити, порівнюючи дані з установками LIGO, щоб переконатися, що він викликаний гравітаційною хвилею, а не фоновими перешкодами.
Це елегантний експеримент, але є одна проблема: надчутливі квантові сенсори, необхідні для цього, ще не існують. Однак команда впевнена, що створення таких сенсорів можливе найближчим часом.
“Ми впевнені, що цей експеримент спрацює”, – каже Томас Бейтел, теоретичний фізик і один з авторів дослідження. “Тепер, коли ми знаємо, що гравітони можна виявити, це додатковий стимул для подальшого розвитку відповідних квантових технологій. Із певною удачею, незабаром ми зможемо зафіксувати окремі гравітони.”
Серед чотирьох фундаментальних сил фізики, гравітація є тією, з якою ми стикаємося щоденно, але вона залишається найбільш загадковою. Електромагнітна взаємодія має фотон, слабка взаємодія – W і Z бозони, а сильна взаємодія – глюон, тому, згідно з деякими моделями, гравітація повинна мати гравітон. Без нього важче узгодити гравітацію зі Стандартною моделлю квантової теорії.
Цей новий експеримент може допомогти вирішити цю проблему, повернувшись до ранніх дослідів у цій галузі. Ще в 1960-х роках фізик Джозеф Вебер намагався знайти гравітаційні хвилі за допомогою алюмінієвих циліндрів, які підвішували на сталевих дротах для ізоляції від шумів. Ідея полягала в тому, що гравітаційні хвилі викликали б вібрації у циліндрах, які можна було б перетворити на вимірювані електричні сигнали.
Вебер наполягав, що він виявив гравітаційні хвилі ще в 1969 році, але його результати не вдалося повторити, і його методи були дискредитовані. Лише у 2015 році LIGO вдалося підтвердити існування гравітаційних хвиль.
Вебер не шукав гравітони, але можливо, що з оновленою технологією 21 століття це стане можливим. Кріогенне охолодження разом із захистом від шуму та інших джерел вібрацій дозволяє атомам алюмінію залишатися максимально нерухомими, що робить потенційні сигнали чіткішими. А наявність підтвердженого детектора гравітаційних хвиль допомагає також.
“Обсерваторії LIGO добре виявляють гравітаційні хвилі, але не можуть зафіксувати окремі гравітони”, – пояснює Бейтел. “Але ми можемо використовувати їхні дані для крос-перевірки з нашим запропонованим детектором і ізолювати окремі гравітони.”
Дослідники кажуть, що найбільш перспективними кандидатами є гравітаційні хвилі від зіткнень нейтронних зірок у межах діапазону детекції LIGO. Під час кожного подібного явища через алюмінієвий брусок проходитиме приблизно один ундецильйон гравітонів (це число з 36 нулями), але лише кілька з них будуть поглинені.
Останній елемент пазлу – це ті самі квантові сенсори. На щастя, команда вважає, що ця технологія вже близька до досягнення.
“Квантові стрибки нещодавно були зафіксовані в матеріалах, але не при масах, які нам потрібні”, – розповідає фізик зі Стокгольмського університету Жермен Тобар, автор дослідження. “Але технологія розвивається дуже швидко, і у нас є ще кілька ідей, як це зробити простіше.”
Дослідження було опубліковане в журналі Nature Communications.
