Квантовый эксперимент может наконец обнаружить неуловимую гравитационную частицу

Гравитон – гипотетическая частица, несущая силу гравитации – ускользал от обнаружения более столетия. Но теперь физики разработали экспериментальную установку, которая теоретически могла бы обнаружить эти крошечные квантовые объекты.

Подобно тому, как отдельные частицы, называемые фотонами, являются носителями силы электромагнитного поля, гравитационные поля теоретически могут иметь свою собственную силу. несущих частицы, называемые гравитонами.

Проблема в том, что они взаимодействуют настолько слабо, что их никогда не обнаружили, а некоторые физики полагают, что никогда не обнаружат.

Но новое исследование, проведенное под руководством Стокгольмский университет настроен более оптимистично. Команда описала эксперимент, который может измерить то, что они называют «гравито-фононным эффектом», и впервые захватить отдельные гравитоны.

Эксперимент будет включать охлаждение массивного объекта массой 1800 килограммов (почти 4000 фунтов). алюминиевый стержень до уровня выше абсолютного нуля, подключив его к непрерывным квантовым датчикам и терпеливо ожидая, пока гравитационные волны омывают его. Когда это произойдет, прибор будет вибрировать с очень малыми масштабами, которые датчики смогут воспринимать как серию дискретных шагов между уровнями энергии.

Каждый из этих шагов (или квантовых скачков) будет означать обнаружение одиночный гравитон.

Любой потенциальный сигнал затем можно будет перепроверить с данными установки LIGO, чтобы убедиться, что он вызван гравитационно-волновым событием, а не фоновым вмешательством.

Это удивительно элегантный эксперимент , но есть одна загвоздка: таких чувствительных квантовых датчиков пока не существует. Тем не менее, команда считает, что их создание станет возможным в ближайшем будущем.

«Мы уверены, что этот эксперимент сработает», — говорит физик-теоретик Томас Бейтель, автор исследования. «Теперь, когда мы знаем, что гравитоны можно обнаружить, это дополнительная мотивация для дальнейшей разработки соответствующей технологии квантового зондирования. Если повезет, вскоре можно будет захватывать отдельные гравитоны».

Из четырех фундаментальных явлений Силами физики гравитация — это то, с чем мы лучше всего знакомы каждый день, но во многих отношениях она остается самой загадочной. У электромагнетизма есть фотон, у слабого взаимодействия есть W- и Z-бозоны, а у сильного взаимодействия есть глюон, поэтому согласно некоторым моделям гравитация должна иметь гравитон. Без него гораздо сложнее заставить гравитацию работать со Стандартной моделью квантовой теории.

Этот новый эксперимент может помочь, по иронии судьбы, если вернуться к некоторым из самых ранних экспериментов в этой области. Начиная с 1960-х годов физик Джозеф Вебер пытался найти гравитационные волны, используя твердые алюминиевые цилиндры, подвешенные на стальной проволоке, чтобы изолировать их от фонового шума. Идея гласит, что если гравитационные волны пройдут мимо, это вызовет вибрации в цилиндрах, которые будут преобразованы в измеримые электрические сигналы.

С помощью этой установки Вебер утверждал, что обнаружил гравитационные волны еще в 1969 году, но его результаты не могли быть воспроизведены, а его методы позже были дискредитированы. Это явление останется незамеченным до тех пор, пока LIGO не обнаружит его в 2015 году.

Вебер специально не искал гравитоны, но это могло бы стать возможным благодаря обновлению его эксперимента в XXI веке. Криогенное охлаждение, наряду с защитой от шума и других источников вибрации, сохраняет атомы алюминия максимально неподвижными, поэтому потенциальные сигналы становятся более четкими. Также полезно иметь под рукой проверенный детектор гравитационных волн.

«Обсерватории LIGO очень хорошо обнаруживают гравитационные волны, но они не могут поймать одиночные гравитоны», — говорит Бейтель. «Но мы можем использовать их данные для взаимной корреляции с предложенным нами детектором и выделения одиночных гравитонов».

Исследователи говорят, что наиболее многообещающими кандидатами являются гравитационные волны, возникающие в результате столкновений пар нейтронных звезд в пределах диапазона обнаружения LIGO. . При каждом событии примерно один ундециллион гравитонов (это 1, за которым следуют 36 нулей) проходит через алюминий, но лишь небольшая часть поглощается.

Последний кусочек головоломки — эти надоедливые квантовые датчики. К счастью, команда считает, что технология не так уж и далека от досягаемости.

«Квантовые скачки наблюдаются в материалах в последнее время, но еще не в тех массах, которые нам нужны», — говорит физик Стокгольмского университета Жермен Тобар. автор исследования. «Но технологии развиваются очень быстро, и у нас появляется все больше идей, как сделать это проще».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.