Гравитонът - хипотетична частица, която носи силата на гравитацията - се изплъзва от откриване повече от век. Сега обаче физиците са разработили експериментална инсталация, която теоретично може да открие тези малки квантови обекти.
По същия начин, по който отделни частици, наречени фотони, са носители на силата на електромагнитното поле, гравитационните полета теоретично биха могли да имат свои собствени частици, наречени гравитони.
Проблемът е, че те взаимодействат толкова слабо, че никога не са били открити, а някои физици смятат, че това никога няма и да се случи.
Но едно ново изследване, ръководено от Стокхолмския университет, е по-оптимистично. Екипът е описал експеримент, който би могъл да измери това, което те наричат „гравитационно-фоничен ефект“, и да улови отделни гравитони за първи път.
Експериментът ще включва охлаждане на масивен, 1800-килограмов алуминиев прът до малко над абсолютната нула, свързването му с непрекъснати квантови сензори и търпеливо изчакване на гравитационните вълни, които ще го залеят. Когато това се случи, инструментът ще вибрира в много малки мащаби, които сензорите могат да засечат като серия от дискретни стъпки между енергийните нива.
Всяка от тези стъпки (или квантови скокове) би означавала откриването на един гравитон.
След това всеки потенциален сигнал може да бъде сравнен с данните от съоръжението LIGO, за да се гарантира, че той е от събитие с гравитационни вълни, а не от фонова интерференция.
Това е изненадващо елегантен експеримент, но има една уловка: тези чувствителни квантови сензори всъщност все още не съществуват. Въпреки това екипът смята, че изграждането им би трябвало да е възможно в близко бъдеще.
„Сигурни сме, че този експеримент ще проработи“, казва теоретичният физик Томас Байтел, автор на изследването. „Сега, когато знаем, че гравитоните могат да бъдат открити, това е допълнителна мотивация за по-нататъшно разработване на подходяща технология за квантови сензори. С известен късмет скоро ще може да се улавят единични гравитони“.
От четирите фундаментални сили на физиката гравитацията е тази, с която сме най-добре запознати в ежедневието, но в много отношения тя остава най-загадъчната. Електромагнетизмът има фотон, слабото взаимодействие - W и Z бозони, а силното взаимодействие - глюон, така че според някои модели гравитацията би трябвало да има гравитон. Без него е много по-трудно гравитацията да работи със Стандартния модел на квантовата теория.
Този нов експеримент би могъл да помогне, по ирония на съдбата, като се върне към някои от най-ранните експерименти в областта. През 60-те години на миналия век физикът Джоузеф Вебер се опитва да открие гравитационни вълни с помощта на твърди алуминиеви цилиндри, които са окачени на стоманена тел, за да бъдат изолирани от фоновия шум. Идеята е, че ако покрай тях преминат гравитационни вълни, те ще предизвикат вибрации в цилиндрите, които ще се превърнат в измерими електрически сигнали.
Вебер настоява, че с тази инсталация е открил гравитационни вълни още през 1969 г., но резултатите му не могат да бъдат повторени и по-късно методите му са дискредитирани. Феноменът остава неоткрит до 2015 г., когато LIGO най-накрая го засича.
Вебер не е търсил конкретно гравитони, но това може да е възможно с надграждане на експеримента му през 21-ви век. Криогенното охлаждане, заедно със защитата от шум и други източници на вибрации, поддържа алуминиевите атоми възможно най-спокойни, така че потенциалните сигнали са по-ясни. А наличието на потвърден детектор на гравитационни вълни също е полезно.
„Обсерваториите LIGO са много добри в откриването на гравитационни вълни, но не могат да уловят единични гравитони“, казва Бейтел. „Ние обаче можем да използваме техните данни за кръстосана корелация с предложения от нас детектор, за да изолираме единични гравитони.“
Изследователите казват, че най-обещаващите кандидати са гравитационни вълни от сблъсъци между двойки неутронни звезди, които са в обхвата на засичане на LIGO. При всяко събитие през алуминия ще преминат около един децилион гравитона (това е единица, последвана от 36 нули), но само шепа от тях ще бъдат погълнати.
Последното парче от пъзела са тези досадни квантови сензори. За щастие екипът смята, че тази технология не е твърде далеч от целта.
„Напоследък се наблюдават квантови скокове при материалите, но все още не в масите, от които се нуждаем“, казва физикът от Стокхолмския университет Жермен Тобар, автор на изследването. „Но технологиите се развиват много бързо и ние имаме още идеи как да ги направим по-лесни“.
Изследването е публикувано в списание Nature Communications.
Източник: Science Alert
