Физики из Технологического института Стивенса и Йельского университета начали реализацию беспрецедентной экспериментальной программы, целью которой является обнаружение гравитонов — гипотетических квантовых частиц гравитации.
Этот проект призван построить мост через многовековой разрыв между Общей теорией относительности Эйнштейна, описывающей гравитацию как искривление пространства-времени, и квантовой механикой, которая объясняет дискретную, частицеподобную природу субатомного мира.
Долгое время обнаружение отдельного гравитона считалось практически невозможным, что оставляло объединение двух фундаментальных теорий лишь предметом теоретических спекуляций. Однако, как отмечается, современные достижения в квантовых технологиях теперь делают эту задачу осуществимой. Прорыв команды, возглавляемой Игорем Пиковски из Стивенса и Джеком Харрисом из Йеля, основан на синтезе двух современных технологических чудес: гравитационно-волновой астрономии, позволяющей «услышать» рябь пространства-времени от столкновений черных дыр, и квантовой инженерии, дающей возможность контролировать макроскопические объекты как отдельные квантовые системы.
Эксперимент, разработанный Харрисом, будет использовать сантиметровый резонатор, заполненный сверхтекучим гелием. Гелий охлаждается до квантового основного состояния, в котором он становится практически неподвижным. Когда гравитационная волна от далекого космического катаклизма проходит через лабораторию, согласно теории, она должна передать крошечный «пинок» энергии цилиндру. Этот пинок и представляет собой единичный гравитон. Затем резонатор преобразует эту гравитационную энергию в фонон — единичный квант вибрации. С помощью высокоточных лазеров ученые смогут измерить эту вибрацию, фактически «пересчитывая» гравитоны, проходящие через установку.
Хотя гравитоны крайне слабо взаимодействуют с веществом, масштабирование таких квантовых детекторов с микроскопического до килограммового уровня создает достаточно большую «мишень», чтобы уловить и зафиксировать эти неуловимые сдвиги энергии. При поддержке Фонда У. М. Кека Пиковски и Харрис уже начали работу над первым в своем роде экспериментом, что знаменует переход от теоретического открытия к созданию реальной «ловушки для гравитации». Этот проект прокладывает путь для квантовых сенсоров, которые в будущем смогут напрямую наблюдать гравитоны.
«Квантовая физика началась с экспериментов над светом и материей. Теперь наша цель — ввести гравитацию в эту экспериментальную область и изучать гравитоны так же, как физики более века назад изучали фотоны», — пояснил Игорь Пиковски.
Джек Харрис добавил, что у команды уже есть все необходимые инструменты для обнаружения отдельных квантов в макроскопических системах, и теперь главная задача заключается в масштабировании технологии. Успешное создание и апробация такой установки заложит основу для будущих, более крупных детекторов, способных к окончательному подтверждению существования гравитонов.