Новый эксперимент может наконец обнаружить «гравитационные частицы» (гравитоны)

Физики предлагают новый эксперимент, который наконец-то позволит обнаружить отдельные гравитоны — гипотетические элементарные частицы, переносящие гравитацию. Он будет включать в себя измерение количества изолированных гравитонов, поглощенных цилиндрическим стержнем, содержащим сверхчувствительный квантовый детектор. По словам исследователей, этот эксперимент должен быть осуществим в ближайшем будущем, учитывая прогресс, достигнутый в области квантовых технологий.

Около века назад Эйнштейн навсегда изменил наше представление о гравитации, объяснив ее влияние на пространство-время. Его предсказания были подтверждены многочисленными наблюдениями, например, деформацией ткани пространства-времени под действием гравитационного притяжения массивных космических объектов.

Однако, несмотря на то, что большинство элементарных взаимодействий имеют квантовый эквивалент, объединение гравитации и квантовой механики представляет собой одну из величайших проблем современной физики. Гравитон», квантовый эквивалент гравитации, остается неуловимым. В некотором смысле он является элементарным и частичным эквивалентом гравитации, подобно атомам, из которых состоит материя.

Для обнаружения этого явления были предложены различные методы. Большинство из них опирается на квантовые системы, которые изменяют законы стандартной физики, что потенциально может привести к квантовой гравитации. Другие сосредоточены на обнаружении потенциальных элементов, скрытых в гравитационных волнах, существование которых недавно было подтверждено и которые, в теории, состоят из миллиардов гравитонов. Эти волны проходят через Землю после катаклизмических космических событий, таких как столкновение черных дыр.

Однако, несмотря на десятилетия исследований, гравитоны до сих пор не обнаружены. Сама идея обнаружить его считается невозможной, поскольку предлагаемые эксперименты наталкиваются на серьезные технические ограничения. «Многие физики размышляли над этим вопросом на протяжении многих лет, но ответ всегда был один: это невозможно», — объясняет Игорь Пиковский, также работающий в Стокгольмском университете, в пресс-релизе Стивенсовского технологического института. Квантовые эксперименты с участием более чем нескольких атомов считались невыполнимыми, поскольку последние вряд ли могли бы взаимодействовать с гравитонами.

Однако недавно квантовые эффекты были замечены в макроскопических объектах. По мнению Пиковски и его коллег, эти объекты идеально подходят для обнаружения гравитонов, поскольку они гораздо лучше взаимодействуют с гравитацией. Исходя из этого, они предлагают новый эксперимент, который наконец-то позволит обнаружить отдельные гравитоны. «Это фундаментальный эксперимент, который долгое время считался невозможным, но мы думаем, что нашли способ сделать это», — объясняет Пиковски. Результаты исследования подробно описаны в журнале Nature Communications.

Эксперимент, аналогичный наблюдению Эйнштейном фотоэлектрического эффекта

Методика, использованная в новом исследовании, предполагает объединение существующей технологии обнаружения гравитационных волн с усовершенствованным методом обнаружения энергетического состояния материи (также известным как квантовое обнаружение). Первый состоит из очень массивного цилиндра (весом около тонны), называемого «стержнем Вебера», который действует как акустический резонатор. Он может поглощать и испускать гравитоны, как в эксперименте Эйнштейна по испусканию и поглощению фотонов.

«Наше решение похоже на фотоэлектрический эффект, который привел Эйнштейна к квантовой теории света, но гравитационные волны заменяют электромагнитные», — объясняет Пиковски. Обмен энергией между веществом и волнами происходит только дискретными шагами, что позволяет обнаруживать отдельные испускаемые и поглощаемые гравитоны.

Точнее, материал охлаждается до самого низкого энергетического уровня, а затем приводится в очень легкую вибрацию прохождением гравитационной волны. Затем сверхчувствительные квантовые детекторы будут следить за тем, как изменяется энергия вибраций на отдельных шагах. Эти энергетические изменения называются «квантовыми скачками», и их обнаружение позволило бы сделать вывод о поглощении гравитона.

Для эксперимента команда предлагает использовать данные о гравитационных волнах, собранные в 2017 году LIGO после столкновения двух нейтронных звезд. «Мы можем использовать их данные для кросс-корреляции с предлагаемым нами детектором, чтобы выделить отдельные гравитоны», — говорит Томас Бейтель из Института Стивенса, соавтор исследования.

Однако важно отметить, что сверхчувствительная технология квантового детектирования, необходимая для эксперимента, еще не разработана. Тем не менее, эксперты считают, что квантовые технологии развиваются достаточно быстро, чтобы эксперимент такого рода стал возможен в ближайшее время. Кроме того, недавно в материалах были замечены квантовые переходы, что позволяет говорить о перспективности обнаружения гравитонов.