Gravitonii sunt particule, deocamdată teoretice, care sunt responsabile pentru gravitație; au fost considerați mult timp imposibil de detectat. O echipă Stevens–Yale construiește acum primul echipament din lume conceput pentru a-i detecta, folosind bare de heliu superfluid iluminate cu laser.
Fizica modernă are o problemă. Cei doi piloni principali ai săi sunt teoria cuantică și teoria relativității generale, însă cele două teorii par incompatibile. Teoria cuantică descrie natura în termeni de particule cuantice discrete și interacțiuni, în timp ce relativitatea generală tratează gravitația ca o curbură lină a spațiu-timpului.
O unificare reală impune ca însăși gravitația să fie cuantică, mediată de particule cunoscute sub numele de „gravitoni”. Cu toate acestea, detectarea chiar și a unui singur graviton a fost mult timp considerată imposibilă. Drept urmare, problema gravitației cuantice a rămas în mare parte teoretică.
În 2024, Igor Pikovski, profesor la Stevens Institute of Technology, și echipa sa au publicat în „Nature Communications” o lucrare care arată că detectarea gravitonilor este, de fapt, posibilă.
Cheia este o nouă perspectivă care sintetizează două progrese experimentale majore.
Primul este detectarea undelor gravitaționale: ondulații ale spațiu-timpului produse de coliziuni între găuri negre sau stele neutronice.
Dacă gravitația respectă fizica cuantică, undele gravitaționale ar fi descrise ca vaste colecții de gravitoni care acționează concertat, fiind imposibil de distins de o undă clasică în observațiile actuale.
Al doilea progres provine din ingineria cuantică. În ultimul deceniu, fizicienii au învățat cum să răcească, să controleze și să măsoare sisteme din ce în ce mai masive aflate în stări cuantice autentice, ducând fenomenele cuantice mult dincolo de scara atomică.
Într-un experiment de referință din 2022, în laboratorul lui Jack Harris, profesor la Yale University, s-a demonstrat controlul și măsurarea cuantelor asociate vibrațiilor atomilor de heliului superfluid cu o masă de peste un nanogram.
Pikovski și-a dat seama că dacă aceste două capabilități sunt combinate, devine posibilă absorbția și detectarea unui singur graviton; o undă gravitațională în trecere poate, în principiu, transfera exact o cuantă de energie (adică un singur graviton) într-un sistem cuantic suficient de masiv.
Modificarea energetică rezultată este mică, dar poate fi detectată.
Dificultatea reală este că gravitonii interacționează extrem de rar cu materia. Însă pentru sisteme cuantice la scara kilogramului — și nu la scară microscopică — expuse undelor gravitaționale intense provenite din fuziuni de găuri negre sau stele neutronice, absorbția unui singur graviton devine posibilă.
Pe baza acestei descoperiri recente, Pikovski și Harris s-au asociat acum pentru a construi primul experiment din lume conceput explicit pentru a detecta gravitoni.
Cu sprijinul W. M. Keck Foundation, echipa dezvoltă un rezonator din heliu superfluid la scară centimetrică, apropiindu-se de regimul necesar pentru a absorbi gravitoni individuali din undele gravitaționale astrofizice. Harris este părere că dispune deja de instrumentele esențiale și ar putea detecta cuante individuale în sisteme cuantice macroscopice, fiind în prezent chestiune de scalare.
Experimentul urmărește să scufunde un rezonator cilindric într-un recipient cu heliu superfluid, să răcească sistemul până la starea sa fundamentală cuantică și să utilizeze măsurători bazate pe laser pentru a detecta fononi — cuantele vibraționale în care sunt convertiți gravitonii.
Detectorul se bazează pe sisteme deja operaționale în laboratorul lui Harris, dar le împinge într-un nou regim, mărind masa până la nivel de gram, păstrând în același timp o sensibilitate cuantică extremă.
Demonstrarea funcționării cu succes a acestei platforme va stabili un plan pentru o iterație ulterioară care poate fi scalată până la sensibilitatea necesară pentru detectarea directă a gravitonilor, deschizând o nouă frontieră experimentală în gravitația cuantică.
Credit imagine și date: Stevens Institute of Technology
