آزمایش کوانتومی سرانجام می تواند ذره گرانش گریزان را آشکار کند

اما اکنون فیزیکدانان یک مجموعه آزمایشی طراحی کرده اند که در تئوری می تواند این اجرام کوانتومی کوچک را شناسایی کند.

همانطور که ذرات منفرد به نام فوتون حامل نیرو برای میدان الکترومغناطیسی هستند، میدان های گرانشی نیز می توانند ذرات حامل نیرو خود را به نام گراویتون داشته باشند.

مشکل این است که آنها به قدری ضعیف برهمکنش می کنند که هرگز شناسایی نشده اند و برخی از فیزیکدانان معتقدند که هرگز این کار را نخواهند کرد.

اما یک مطالعه جدید، به رهبری دانشگاه استکهلم، خوش بینانه تر است. این تیم آزمایشی را توصیف کرده‌اند که می‌تواند آنچه را که «اثر گرانشی-آوانونیک» می‌نامند اندازه‌گیری کند و برای اولین بار گراویتون‌های منفرد را بگیرد.

این آزمایش شامل خنک کردن یک نوار عظیم ۱۸۰۰ کیلوگرمی (تقریباً ۴۰۰۰ پوند) آلومینیوم به یک تار موی بالای صفر مطلق، وصل کردن آن به حسگرهای کوانتومی پیوسته و صبر صبورانه برای شستشوی امواج گرانشی روی آن است. وقتی این کار را انجام می‌دهد، ابزار در مقیاس‌های بسیار کوچکی می‌لرزد، که حسگرها می‌توانند آن را به‌عنوان یک سری مراحل گسسته بین سطوح انرژی ببینند.

هر یک از این مراحل (یا پرش های کوانتومی) نشانگر تشخیص یک گراویتون است.

این یک آزمایش شگفت‌آور ظریف است، اما یک نکته وجود دارد: آن حسگرهای کوانتومی حساس در واقع هنوز وجود ندارند. با این حال، تیم معتقد است که ساخت آنها باید در آینده نزدیک امکان پذیر باشد.

توماس بیتل، فیزیکدان نظری، نویسنده این مطالعه می گوید: ما مطمئن هستیم که این آزمایش کارساز خواهد بود. اکنون که می دانیم گراویتون ها قابل شناسایی هستند، انگیزه ای برای توسعه بیشتر فناوری سنجش کوانتومی مناسب ایجاد می کند.

از میان چهار نیروی بنیادی فیزیک، گرانش نیرویی است که ما به طور روزانه با آن آشنا هستیم، اما از بسیاری جهات اسرارآمیزترین آن باقی مانده است. الکترومغناطیس دارای فوتون، برهمکنش ضعیف دارای بوزون W و Z، و برهمکنش قوی دارای گلوئون است، بنابراین طبق برخی مدل‌ها گرانش باید گراویتون داشته باشد. بدون آن، کارکردن گرانش با مدل استاندارد نظریه کوانتومی بسیار دشوارتر است.

سپس می‌توان هر سیگنال احتمالی را با داده‌های تأسیسات LIGO بررسی کرد تا اطمینان حاصل شود که از یک رویداد موج گرانشی و نه تداخل پس‌زمینه است.

این آزمایش جدید می تواند کمک کند، از قضا با بازگشت به برخی از اولین آزمایشات در این زمینه. با شروع در دهه ۱۳۳۸، فیزیکدان جوزف وبر تلاش کرد امواج گرانشی را با استفاده از استوانه های آلومینیومی جامد، که از سیم فولادی آویزان شده بودند تا آنها را از نویز پس زمینه جدا کند، بیابد. اگر امواج گرانشی از کنار آن عبور کنند، این ایده می‌گوید که ارتعاشاتی در سیلندرها ایجاد می‌شود که به سیگنال‌های الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌شوند.

با این تنظیمات، وبر اصرار داشت که امواج گرانشی را در اوایل سال ۱۳۴۷ شناسایی کرد، اما نتایج او قابل تکرار نبود و روش‌های او بعداً بی‌اعتبار شد. این پدیده تا زمانی که LIGO آنها را در سال ۱۳۹۳ پیدا نکرد، شناسایی نشد.

وبر به طور خاص به دنبال گراویتون ها نبود، اما ممکن است با ارتقای آزمایش خود در قرن ۲۱ امکان پذیر باشد. خنک‌سازی برودتی، همراه با محافظت در برابر نویز و سایر منابع ارتعاشی، اتم‌های آلومینیوم را تا حد امکان ثابت نگه می‌دارد، بنابراین سیگنال‌های بالقوه واضح‌تر می‌شوند. و داشتن یک آشکارساز موج گرانشی تایید شده در دسترس نیز مفید است.

Beitel می گوید: رصدخانه های LIGO در تشخیص امواج گرانشی بسیار خوب هستند، اما نمی توانند گراویتون های منفرد را بگیرند. اما ما می‌توانیم از داده‌های آنها برای همبستگی متقابل با آشکارساز پیشنهادی خود برای جداسازی گراویتون‌های منفرد استفاده کنیم.

محققان می گویند امیدوارکننده ترین کاندیداها امواج گرانشی ناشی از برخورد بین جفت ستاره های نوترونی در محدوده تشخیص LIGO هستند. با هر رویداد، تخمین زده می‌شود که یک دسییلیون گراویتون (یعنی ۱ به دنبال آن ۳۶ صفر) از آلومینیوم عبور می‌کند، اما فقط تعداد انگشت شماری جذب می‌شود.

آخرین قطعه پازل آن حسگرهای کوانتومی مزاحم است. خوشبختانه، تیم معتقد است که فناوری خیلی دور از دسترس نیست.