Поиск одиночных гравитонов с помощью квантового зондирования

Широко распространено мнение, что квантование гравитации приводит к появлению гравитонов — частиц дискретной энергии, которые образуют гравитационные волны. Но их обнаружение до сих пор считалось невозможным.

Теперь команда ученых-физиков показала, как обнаружить загадочные частицы, которые считаются квантовыми строительными блоками гравитации, и сделать этот эксперимент реальным, как они предполагают, будет возможно с помощью квантовых технологий в ближайшем будущем.

«Это основополагающий эксперимент, который долгое время считался невозможным, но мы думаем, что нашли способ его осуществить», — говорит профессор физики Игорь Пиковски из Stevens Institute of Technology, также работающий в Стокгольмском университете.

Неуловимые частицы

Гравитация работает постоянно. Предметы падают на землю, планеты вращаются вокруг звезд. Более ста лет назад Эйнштейн произвел революцию в нашем понимании гравитации, объяснив ее изменениями в пространстве и времени. Многие ранее невообразимые эффекты гравитации теперь подтверждены: замедление времени, гравитационные волны или черные дыры.

Но особенность гравитации заключается в другом: мы пока видели только ее «классическую» версию, тогда как все остальные силы объясняются квантовой теорией. Одним из Святых Граалей физики уже давно является связь гравитации с квантовой механикой, но эта проблема пока остается нерешенной. В любой квантовой теории гравитации мы ожидаем появления определенных отдельных неделимых частиц.

Физики назвали эти неуловимые частицы гравитонами — можно думать о них как о строительных блоках гравитации, точно так же, как атомы являются строительными блоками материи. Теоретически гравитационные волны, которые проходят через Землю в результате колоссальных космических событий, таких как столкновения черных дыр, состоят из огромного количества этих гравитонов.

Детекторы, такие как LIGO, теперь могут подтвердить существование таких гравитационных волн. Однако гравитон (квант гравитации) никогда еще не был обнаружен; даже сама идея обнаружить его долгое время считалась невозможной.

Однако, возможно, ситуация только что изменилась.

Исследователи предложили решение, которое предполагает объединение существующей технологии физического обнаружения — так называемого акустического резонатора, по сути, тяжелого цилиндра — и оснащение его улучшенными методами обнаружения энергетического состояния (также известными как квантовое зондирование).

«Наше решение похоже на фотоэлектрический эффект, который привел Эйнштейна к квантовой теории света, — объясняет Игорь Пиковски, — только гравитационные волны заменяют электромагнитные волны. Ключевым моментом является то, что обмен энергией между материалом и волнами происходит только дискретными шагами — отдельные гравитоны поглощаются и испускаются».

Как обнаружить гравитоны?

«Нам нужно охладить материал, а затем отслеживать, как меняется энергия за один шаг, и этого можно достичь с помощью квантового зондирования», — говорят ученые. «Наблюдая эти квантовые скачки в материале, мы можем сделать вывод, что гравитон был поглощен. Мы называем это «гравито-фононическим эффектом».

Одно из нововведений, предложенных командой, — использовать доступные данные LIGO, обсерватории, которая относительно недавно подтвердила существование гравитационных волн.

«LIGO очень хорошо обнаруживает гравитационные волны, но она не может поймать одиночные гравитоны», — отмечают ученые. «Но мы можем использовать их данные для взаимной корреляции с предлагаемым нами детектором для выделения одиночных гравитонов».

Тяжелые цилиндры и квантовые датчики

«Многие физики думали об этом на протяжении многих лет, но ответ всегда был один и тот же: этого сделать невозможно», — говорит Игорь Пиковски. «Было невозможно представить себе квантовые эксперименты, выходящие за рамки нескольких атомов, и они вообще почти не взаимодействуют с гравитонами».

Но теперь игра изменилась: недавно ученые начали создавать и наблюдать квантовые эффекты в макроскопических объектах. Пиковски понял, что эти макроскопические квантовые объекты идеально подходят для наблюдения одиночных сигнатур гравитонов: они гораздо сильнее взаимодействуют с гравитацией, и мы можем обнаружить, как эти объекты поглощают и излучают энергию дискретными шагами.

Команда физиков начала продумывать возможный эксперимент. Используя данные гравитационных волн, которые ранее были измерены на Земле, например, те, которые прибыли в 2017 году в результате столкновения двух далеких нейтронных звезд, они рассчитали параметры, которые оптимизируют вероятность поглощения одиночного гравитона.

«Оказывается, это измерение можно провести, например, с помощью устройства, похожего на цилиндр Вебера».

Цилиндр Вебера — это толстые, тяжелые (до тонны) цилиндрические стержни, названные в честь их изобретателя, Джозефа Вебера. В последнее время они вышли из употребления из-за распространения технологий оптического обнаружения, но на самом деле они хорошо подойдут для работы физиков по охоте за гравитонами.

Это потому, что они могут поглощать и излучать гравитоны — по прямой аналогии с тем, что Эйнштейн назвал «вынужденным излучением и поглощением» фотонов, мельчайших строительных блоков света.

Новый квантовый детектор охлаждается до минимальной энергии, а затем слегка вибрирует под воздействием гравитационной волны. Сверхчувствительные энергетические датчики теоретически могут зафиксировать, как эти колебания изменяются дискретными шагами. Каждое дискретное изменение (также известное как квантовый скачок) будет означать одно гравитонное событие.

Конечно, с поиском гравитонов есть одна загвоздка. Необходимая сенсорная технология еще не существует.

«В последнее время в материалах наблюдаются квантовые скачки, но еще не до тех масс, которые нам нужны», — отмечают ученые. «Но технологии развиваются очень быстро, и у нас появляется больше идей о том, как сделать это проще».

«Мы уверены, что этот эксперимент сработает. 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».

«Мы знаем, что квантовая гравитация все еще не решена, и проверить ее слишком сложно, — говорит Игорь Пиковски, — но теперь мы можем сделать первые шаги, как это сделали ученые более ста лет назад с квантами света».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.