Физики представили проект эксперимента, который может стать прорывом в обнаружении гравитонов — гипотетических элементарных частиц, ответственных за перенос гравитационного взаимодействия. Суть метода заключается в измерении количества отдельных гравитонов, поглощаемых массивным цилиндрическим стержнем, оснащённым сверхчувствительным квантовым детектором. Учёные уверены, что стремительное развитие квантовых технологий сделает эту сложнейшую задачу выполнимой в обозримом будущем.
Общая теория относительности Эйнштейна, сформулированная почти сто лет назад, кардинально изменила представление о гравитации, описав её как искривление пространства-времени. Её предсказания неоднократно подтверждались наблюдениями, например, гравитационным линзированием света. Однако интеграция гравитации в рамки квантовой механики остаётся одной из главных нерешённых проблем современной физики. Гравитон, являющийся квантовым переносчиком гравитационного взаимодействия (аналогично фотону в электромагнетизме), до сих пор не обнаружен экспериментально.
За долгие годы было предложено множество теоретических подходов к решению этой задачи. Некоторые из них основаны на поиске отклонений от стандартных физических законов в специальных квантовых системах. Другие пытаются вычленить сигнал от гравитонов из данных о гравитационных волнах — ряби пространства-времени, рождающейся при катастрофических событиях вроде слияния чёрных дыр и состоящей, согласно теории, из огромного числа этих частиц.
Несмотря на десятилетия усилий, прямое обнаружение гравитона считалось практически неосуществимым из-за колоссальных технических сложностей. «Многие физики размышляли над этим, но вывод всегда был один: это невозможно», — отмечает соавтор исследования Игорь Пиковский из Стокгольмского университета. Основная проблема заключалась в чрезвычайно слабом взаимодействии гравитонов с веществом, что делало бессмысленными эксперименты с малым количеством атомов.
Однако ситуация изменилась с развитием технологий, позволивших наблюдать квантовые эффекты в макроскопических объектах. Именно такие объекты, по мнению Пиковского и его коллег, идеально подходят для «поимки» гравитонов, так как их большая масса усиливает гравитационное взаимодействие. «Это фундаментальный эксперимент, который долго считался невозможным, но мы полагаем, что нашли способ его провести», — заявил учёный. Подробности предложения изложены в журнале Nature Communications.
Принцип, вдохновлённый фотоэффектом Эйнштейна
Новый метод синтезирует два направления: детектирование гравитационных волн и сверхточное измерение энергетических состояний вещества (квантовую метрологию). В его основе — массивный цилиндр весом около тонны, так называемый «стержень Вебера», играющий роль акустического резонатора. Он способен поглощать и излучать гравитоны, подобно тому, как вещество в опытах Эйнштейна взаимодействовало с фотонами.
«Наша концепция аналогична фотоэлектрическому эффекту, который привёл Эйнштейна к идее квантов света, но здесь гравитационные волны заменяют электромагнитные», — поясняет Пиковский. Ключевой момент — обмен энергией между веществом и полем происходит не непрерывно, а дискретными порциями (квантами), что теоретически позволяет зафиксировать акты поглощения или излучения отдельных гравитонов.
Технически эксперимент предполагает охлаждение стержня до минимального энергетического состояния, после чего на него будут воздействовать гравитационные волны, вызывая едва заметные вибрации. Сверхчувствительные квантовые датчики (например, на основе сверхпроводящих кубитов) будут отслеживать мельчайшие изменения энергии колебаний — так называемые «квантовые скачки». Регистрация таких скачков и будет свидетельствовать о поглощении гравитона.
Для увеличения вероятности успеха авторы предлагают использовать данные реальных событий, например, слияния нейтронных звёзд, зарегистрированного обсерваторией LIGO в 2017 году. «Мы можем провести взаимную корреляцию данных LIGO с показаниями нашего детектора, чтобы выделить сигнал от отдельных гравитонов», — объясняет соавтор работы Томас Бойтель из Института Стивенса.
Стоит признать, что сверхточные квантовые детекторы, необходимые для эксперимента, пока находятся в стадии разработки. Тем не менее, эксперты оптимистичны: темпы развития квантовых технологий и недавние успехи в наблюдении квантовых переходов в макрообъектах позволяют надеяться, что обнаружение гравитонов может стать реальностью уже в ближайшие десятилетия.
Обратите внимание: NASA инвестирует в футуристический телескоп, который будет строить сам себя в космосе.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.