USKUMATU! Füüsikud mõtlesid välja katse, kuidas kinni püüda raskusjõu osake

Järgmise põlvkonna kvantandurid suudavad esimest korda tuvastada hüpoteetilisi gravitoneid Foto: Pikovski Research Group

Graviton, hüpoteetiline osake, mis kannab gravitatsioonijõudu, on füüsikuid köitnud juba üle sajandi, kuid seni pole seda veel avastatud. Nüüd on teadlased välja pakkunud eksperimentaalse seadistuse, mis võiks teoreetiliselt need tillukesed kvantosakesed tuvastada.

Sarnaselt elektromagnetvälja jõuosakestele, mida nimetatakse footoniteks, võiks ka gravitatsiooniväljal olla oma jõukandja — graviton. Probleem seisneb selles, et need osakesed suhtlevad väga nõrgalt ning neid pole seni leitud. Mõned füüsikud arvavad, et neid ei pruugigi kunagi leida.

Stockholmi Ülikooli juhitud uus uuring on siiski optimistlikum. Uurimisrühm on välja töötanud eksperimendi, mis võiks mõõta nn «gravitofonoonilist efekti» ja esimest korda ajaloos üksikud gravitonid kinni püüda.

Eksperiment hõlmaks 1800 kilogrammise alumiiniumsilindri jahutamist peaaegu absoluutse nullini, ühendamist pidevate kvantsensoritega ja ootamist, kuni gravitatsioonilained seda tabavad. Kui see juhtub, hakkab instrument väga väikese amplituudiga vibreerima, mida sensorid võiksid tuvastada kui energiatasemete vahelisi üleminekuid. Kui graviton on olemas ja kvantosake, siis peaksid ka selle energiaüleminkud toimuma «portsude» e kvantide kaupa.

Iga selline kvanthüpe (quantum jump) tähistaks üksiku gravitoni tuvastamist

Võimalikku signaali saaks seejärel kontrollida LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) andmetega, et veenduda, kas see tuleneb gravitatsioonilaine sündmusest või on see lihtsalt taustamüra.

See on elegantne eksperiment, kuid üks probleem siiski esineb: vajalikke tundlikke kvantsensoreid pole veel olemas. Uurimisrühm usub siiski, et nende loomine on lähitulevikus teostatav.

Teoreetiline füüsik ja uuringu kaasautor Thomas Beitel kommenteerib, et nad on kindlad eksperimendi toimimises. Nüüd, kui nad teavad, et gravitonid on tuvastatavad, annab see lisamotivatsiooni arendada edasi sobivat kvantsensortehnoloogiat. Mõningase õnne korral võiks peagi üksikuid gravitone püüda.

Neljast fundamentaalsest füüsikalisest jõust on gravitatsioon see, mida me igapäevaselt kõige rohkem kogeme, kuid samas on see ka üks mõistatuslikumaid. Elektromagnetismil on footon, nõrkadel interaktsioonidel on W- ja Z-bosonid ning tugeval interaktsioonil on gluon. Seega peaks mõnede mudelite kohaselt olema gravitatsioonil graviton. Ilma selleta on oluliselt raskem gravitatsiooni ja kvantteooria standardmudelit ühendada.

See uus eksperiment võiks aidata lahendusele lähemale, viies meid tagasi valdkonna varasemate katseteni. 1960. aastatel püüdis füüsik Joseph Weber leida gravitatsioonilaineid, kasutades alumiiniumist silindreid, mis olid terastrossidega taustamürast isoleeritud. Teooria kohaselt peaksid gravitatsioonilained silindreid vibreerima panema ja seejärel muunduma mõõdetavaks elektriliseks signaaliks.

Weber väitis, et tuvastas gravitatsioonilained juba 1969. aastal, kuid tema tulemusi ei suudetud korrata ning meetodid laideti maha. LIGO leidis gravitatsioonilained alles 2015. aastal.

Weber ei otsinud otseselt gravitone, kuid 21. sajandi täiustused tema eksperimendile võivad seda võimaldada. Tugev jahutamine väga madala tmeratuurini, koos mürast ja vibratsiooniallikatest isoleerimisega, hoiab alumiiniumi aatomid võimalikult liikumatuna, muutes signaalid selgemaks. Lisaks on abiks, et käepärast on toimiv gravitatsioonilainete detektor – LIGO – mis on abiks üksikute gravitsioonilainejuhtumite tuvastamisel.

Uurijate hinnangul on parimad kandidaadid neutrontähtede paaride kokkupõrgetest tekkivad gravitatsioonilained, mis jäävad LIGO detektorite vaatevälja. Iga sündmuse korral läbiks alumiiniumvarda hinnanguliselt üks undetsillion (1, millele järgneb 36 nulli) gravitoni, kuid neist neelduks ainult mõni üksik.

Viimane tükk puslest on need häirivad kvantsensorid. Õnneks usub uurimisrühm, et see tehnoloogia pole kaugel.

Stockholmi Ülikooli füüsik ja uuringu kaasautor Germain Tobar lisab, et kvanthüppeid on hiljuti materjalides täheldatud, kuid mitte veel selliste massidega osakeste poolt, mida nad vajavad. Tehnoloogia areneb aga kiiresti, ja neil on rohkem ideid, kuidas protsessi lihtsustada. Olgu öeldud, et ka Joseph Weberi esmastest katsetest töötavate gravitatsioonidetektoritni kulus aastakümneid.

Allikas: ScienceAlert