Eksperyment z czujnikiem kwantowym może teraz zidentyfikować pojedyncze grawitony – cząstki tworzące grawitację – co do tej pory uważano za niemożliwe.
Zespół kierowany przez profesora Stevensa Igora Pikowskiego zaproponował niedawno metodę wykrywania pojedynczych grawitonów, uważanych za kwantowe elementy budulcowe grawitacji. Sugerują, że dzięki postępowi technologii kwantowej eksperyment ten może stać się rzeczywistością w najbliższej przyszłości.
„To podstawowy eksperyment, który długo uważano za niemożliwy, ale uważamy, że znaleźliśmy na to sposób” – mówi profesor fizyki Stevensa Igor Pikovski, również związany z Uniwersytetem w Sztokholmie.
Pikovski kierował zespołem składającym się z doktorantów pierwszego roku Germaina Tobara, Thomasa Beitela i badaczki ze stopniem doktora Sreenath Manikandan. Ich wyniki dotyczące „wykrywania pojedynczych grawitonów za pomocą wykrywania kwantowego” opublikowano w: Komunikacja przyrodnicza w tym tygodniu.
Nieuchwytne cząstki budujące kosmiczną tkankę
Po prostu grawitacja fabryka. Rzeczy upadają, planety krążą wokół siebie. Ponad sto lat temu Einstein zrewolucjonizował nasze rozumienie grawitacji, wyjaśniając ją jako zmiany w przestrzeni i czasie. Obecnie potwierdzono wiele efektów grawitacji, które wcześniej były niewyobrażalne: dylatacja czasu, fale grawitacyjnelub czarne dziury.
Ale coś innego jest wyjątkowego w grawitacji: do tej pory widzieliśmy tylko jej „klasyczną” wersję, podczas gdy wszystkie inne siły wyjaśnia teoria kwantowa. Jednym ze świętych Graali fizyki od dawna jest powiązanie grawitacji z mechaniką kwantową, ale problem ten pozostaje nierozwiązany. W każdej kwantowej teorii grawitacji spodziewalibyśmy się wystąpienia pewnych pojedynczych, niepodzielnych cząstek.
Fizycy nadali nazwy tym nieuchwytnym cząstkom grawitony — myślcie o nich jak o cegiełkach grawitacji, tak jak atomy to o cegiełkach materii. Teoretycznie fale grawitacyjne, które często przechodzą przez Ziemię w wyniku kolosalnych wydarzeń kosmicznych, np czarna dziura zderzenia składają się z ogromnej liczby tych grawitonów. Imponujące duże detektory, takie jak LIGO może teraz potwierdzić istnienie takich fal grawitacyjnych. Jednak nigdy w historii nie odkryto grawitonu; nawet pomysł dostrzeżenia jednego z nich długo był uważany za niemożliwy.
Być może to się jednak właśnie zmieniło.
Zespół Pikovskiego zaproponował rozwiązanie polegające na połączeniu istniejącej technologii detekcji fizycznej – czegoś, co nazywa się rezonatorem akustycznym, w zasadzie ciężkim cylindrem – i wyposażeniu jej w ulepszone metody wykrywania stanu energii (znane również jako wykrywanie kwantowe).
„Nasze rozwiązanie jest podobne do efektu fotoelektrycznego, który doprowadził Einsteina do kwantowej teorii światła” – wyjaśnia Pikovski – „tylko z falami grawitacyjnymi zastępującymi fale elektromagnetyczne. Kluczem jest to, że energia wymieniana jest pomiędzy materiałem a falami jedynie w dyskretnych krokach – pojedyncze grawitony są absorbowane i emitowane.”
Ale jak je wykryć?
„Musimy schłodzić materiał, a następnie monitorować, jak zmienia się energia w jednym kroku, a można to osiągnąć za pomocą wykrywania kwantowego” – mówi Manikandan, doktorant w Nordyckim Instytucie Fizyki Teoretycznej w Sztokholmie.
„Obserwując te skoki kwantowe w materiale, możemy wywnioskować, że grawiton został zaabsorbowany” – dodaje Tobar, obecnie doktorant na Uniwersytecie w Sztokholmie. „Nazywamy to «efektem grawitofonicznym».”
Jedną z innowacji zaproponowanych przez zespół jest wykorzystanie dostępnych danych z LIGO – amerykańskiego obserwatorium składającego się z dwóch obiektów, które niedawno potwierdziło istnienie fal grawitacyjnych.
„Obserwatoria LIGO bardzo dobrze wykrywają fale grawitacyjne, ale nie potrafią wyłapywać pojedynczych grawitonów” – zauważa Beitel, doktorant Stevensa. „Możemy jednak wykorzystać ich dane do korelacji krzyżowej z proponowanym przez nas detektorem w celu wyizolowania pojedynczych grawitonów”.
Kosmiczne zderzenia, ciężkie cylindry, czujniki kwantowe
Jak zespół Pikowskiego zaprojektował ten genialny eksperyment? Dużo matematyki i kreatywności, a także duża pomoc wynikająca z najnowszych osiągnięć technologicznych.
„Wielu fizyków myślało o tym przez lata, ale odpowiedź była zawsze ta sama: nie da się tego zrobić” – mówi Pikovski. „Nie można było sobie wyobrazić eksperymentów kwantowych wykraczających poza kilka atomów i prawie w ogóle nie oddziałujących z grawitonami”.
Ale teraz gra się zmieniła: naukowcy zaczęli niedawno tworzyć i obserwować efekty kwantowe w obiektach makroskopowych. Pikovski zdał sobie sprawę, że te makroskopowe obiekty kwantowe idealnie nadają się do obserwacji sygnatur pojedynczych grawitonów: oddziałują znacznie silniej z grawitacją i możemy wykryć, w jaki sposób te obiekty absorbują i emitują energię w dyskretnych krokach.
Zespół zaczął zastanawiać się nad możliwym eksperymentem. Wykorzystując dane z fal grawitacyjnych, które były wcześniej mierzone na Ziemi, np. te, które przybyły w 2017 r. w wyniku zderzenia dwóch odległych gwiazd neutronowych wielkości Manhattanu (ale bardzo gęstych), obliczyli parametry, które optymalizują prawdopodobieństwo absorpcji dla pojedynczy grawiton.
„Okazuje się, że pomiaru tego można dokonać” – mówi Manikandan – „na przykład za pomocą urządzenia podobnego do paska Webera”.
Pręty Weber to grube, ciężkie (do tony) cylindryczne pręty, nazwane na cześć ich wynalazcy, pochodzącego z New Jersey, Josepha Webera. Pręty wyszły ostatnio z użycia wraz z rozpowszechnieniem się technologii detekcji optycznej, ale w rzeczywistości sprawdziłyby się dobrze w wyprawie fizyków w poszukiwaniu grawitonu.
Dzieje się tak dlatego, że mogą absorbować i emitować grawitony—w bezpośredniej analogii do tego, co ukuł Einstein, „stymulowanej emisji i absorpcji” fotonów, najmniejszych elementów budulcowych światła.
Nowo zaprojektowany detektor kwantowy zostałby schłodzony do najniższej energii, a następnie wprawiony w lekkie wibracje w wyniku przejścia fali grawitacyjnej. Superczułe czujniki energii mogłyby następnie teoretycznie rejestrować zmiany tych wibracji w dyskretnych krokach. Każda dyskretna zmiana (znana również jako skok kwantowy) wskazywałaby na pojedyncze zdarzenie grawitonowe.
Oczywiście jest pewien haczyk w łapaniu grawitonów. Niezbędna technologia wykrywania tego nie robi całkiem jeszcze istnieć.
„Ostatnio zaobserwowano skoki kwantowe w materiałach, ale jeszcze nie przy masach, których potrzebujemy” – zauważa Tobar. „Ale technologia rozwija się bardzo szybko i mamy więcej pomysłów, jak to ułatwić”.
„Jesteśmy pewni, że ten eksperyment się powiedzie” – zachwyca się Thomas. „Teraz, gdy wiemy, że można wykryć grawitony, stanowi to dodatkową motywację do dalszego rozwoju odpowiedniej technologii wykrywania kwantowego. Przy odrobinie szczęścia wkrótce będzie można uchwycić pojedyncze grawitony.”
Chociaż nowe technologie kwantowe mają kluczowe znaczenie, inspiracja do osiągnięcia tego wyniku pochodziła z innego źródła. „Wiemy, że grawitacja kwantowa jest nadal nierozwiązana i zbyt trudno jest ją przetestować w pełnej krasie” – mówi Pikovski – „ale możemy teraz postawić pierwsze kroki, tak jak naukowcy ponad sto lat temu zrobili to z kwantami światła. ”
Odniesienie: „Detecting single gravitons with quantum sensing” Germain Tobar, Sreenath K. Manikandan, Thomas Beitel i Igor Pikovski, 22 sierpnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-51420-8
