Graviton – hipotetička čestica koja nosi silu gravitacije – izmiče detekciji više od jednog veka. Ali sada su fizičari dizajnirali eksperimentalnu postavku koja bi u teoriji mogla da otkrije ove sićušne kvantne objekte.
Na isti način na koji su pojedinačne čestice koje se nazivaju fotoni nosioci sile za elektromagnetno polje, gravitaciona polja bi teoretski mogla imati sopstvene čestice koje nose silu koje se nazivaju gravitoni.
Problem je u tome što oni međusobno deluju tako slabo da nikada nisu otkriveni, a neki fizičari veruju da nikada neće.
Ali nova studija, koju vodi Univerzitet u Stokholmu, je optimističnija. Tim je opisao eksperiment koji bi mogao da izmeri ono što nazivaju „gravito-fononskim efektom“ i po prvi put uhvati pojedinačne gravitone.
Eksperiment bi uključivao hlađenje ogromne šipke aluminijuma od 1.800 kilograma (skoro 4.000 funti) na dlaku iznad apsolutne nule, spajanje na kontinuirane kvantne senzore i strpljivo čekanje da ga gravitacioni talasi preplave. Kada to učinite, instrument bi vibrirao na veoma malim skalama, koje bi senzori mogli da vide kao niz diskretnih koraka između nivoa energije.
Svaki od tih koraka (ili kvantnih skokova) bi označio detekciju jednog gravitona.
Svaki potencijalni signal bi se tada mogao unakrsno proveriti sa podacima iz LIGO postrojenja kako bi se osiguralo da potiče od gravitacionog talasa, a ne od pozadinskih smetnji.
To je iznenađujuće elegantan eksperiment, ali postoji jedna kvaka: ti osetljivi kvantni senzori još uvek ne postoje. Ipak, tim veruje da bi njihova izgradnja trebala biti moguća u bliskoj budućnosti.
„Sigurni smo da bi ovaj eksperiment uspeo“, kaže teorijski fizičar Tomas Bajtel, autor studije. „Sada kada znamo da se gravitoni mogu detektovati, to je dodatna motivacija da se dalje razvija odgovarajuća tehnologija kvantnog senzora. Uz malo sreće, neko će uskoro moći da uhvati pojedinačne gravitone.“
Od četiri fundamentalne sile fizike, gravitacija je ona koja nam je najpoznatija na dnevnoj bazi, ali na mnogo načina ostaje najmisterioznija. Elektromagnetizam ima foton, slaba interakcija ima V i Z bozon, a jaka interakcija ima gluon, tako da prema nekim modelima gravitacija treba da ima graviton. Bez toga, mnogo je teže učiniti da gravitacija funkcioniše sa Standardnim modelom kvantne teorije.
Ovaj novi eksperiment bi mogao pomoći, ironično, vraćanjem na neke od najranijih eksperimenata u ovoj oblasti. Počevši od 1960-ih, fizičar Džozef Veber je pokušao da pronađe gravitacione talase koristeći čvrste aluminijumske cilindre, koji su bili okačeni na čeličnu žicu da bi ih izolovao od pozadinske buke. Ideja kaže da bi gravitacioni talasi prošli pored njih, pokrenuli bi vibracije u cilindrima koje bi se pretvorile u merljive električne signale.
Sa ovom postavkom, Veber je insistirao da je otkrio gravitacione talase još 1969. godine, ali njegovi rezultati nisu mogli da se repliciraju i njegove metode su kasnije diskreditovane. Fenomen bi ostao neotkriven sve dok ih LIGO nije pronašao 2015. godine.
Veber nije posebno tražio gravitone, ali to bi moglo biti moguće sa nadogradnjom njegovog eksperimenta u 21. veku. Kriogeno hlađenje, zajedno sa zaštitom od buke i drugih izvora vibracija, drži atome aluminijuma što mirnijima, tako da su potencijalni signali jasniji. Takođe je korisno imati potvrđen detektor gravitacionih talasa pri ruci.
„LIGO opservatorije su veoma dobre u otkrivanju gravitacionih talasa, ali ne mogu da uhvate pojedinačne gravitone“, kaže Beitel. „Ali možemo da koristimo njihove podatke za unakrsnu korelaciju sa našim predloženim detektorom da izolujemo pojedinačne gravitone.“
Istraživači kažu da su kandidati koji najviše obećavaju gravitacioni talasi od sudara između parova neutronskih zvezda, unutar LIGO-ovog dometa detekcije. Sa svakim događajem, procenjeno je da bi jedan undecilion gravitona (to je 1 praćen 36 nula) prošao kroz aluminijum, ali bi se apsorbovala samo šačica.
Poslednji deo slagalice su ti dosadni kvantni senzori. Srećom, tim veruje da tehnologija nije previše van domašaja.
„Kvantni skokovi su nedavno primećeni u materijalima, ali još uvek ne u masama koje su nam potrebne“, kaže Germen Tobar, fizičar sa Univerziteta u Stokholmu, autor studije. „Ali tehnologija napreduje veoma brzo i imamo više ideja kako da to olakšamo.“
