Gravitacija je jedina temeljna sila čiji prijenosnik još uvijek nije izravno opažen. No, znanstvenici vjeruju da bi se to uskoro moglo promijeniti.
Gdje su gravitoni?
Gravitoni, teoretske čestice koje prenose gravitacijsku silu, već dugo predstavljaju ključan dio slagalice Standardnog modela čestica. U ovom modelu, prijenosnici sile funkcioniraju kao mediji koji omogućuju interakciju između čestica. Primjerice, foton je prijenosnik elektromagnetizma, gluon prenosi jaku nuklearnu silu, dok W i Z bozoni djeluju u prijenosu slabe nuklearne sile. No, gravitacija, jedna od četiri temeljne sile, još uvijek nema izravno uočenog prijenosnika – gravitona.
Nesklad između kvantne teorije i opće relativnosti postavlja pitanje postoji li gravitacija uopće na način na koji djeluju druge temeljne sile. Iako još uvijek nije opažen, znanstvenici smatraju da bi gravitoni mogli postojati, ali su vjerojatno ekstremno teški za otkrivanje. Prema nekim procjenama, gravitoni su bilijun, bilijun, bilijun puta lakši od elektrona, s masom od oko 6 × 10⁻³² elektron-volti.
Teško, ali ne i nemoguće
Novo istraživanje znanstvenika sa Sveučilišta u Stockholmu i Stevens Instituta za Tehnologiju iz New Jerseya donosi nadu da bi gravitone ipak bilo moguće otkriti. U studiji objavljenoj u časopisu Nature Communications, istraživači predlažu novu tehniku kvantnog osjetila koja bi mogla omogućiti detekciju gravitona. Ova metoda koristi inspiraciju iz Einsteinovog otkrića fotoelektričnog efekta, za što je dobio Nobelovu nagradu. Na sličan način, znanstvenici namjeravaju detektirati gravitone unutar gravitacijskih valova.
“Naše rješenje oponaša fotoelektrični efekt,” objasnio je doktorand Germain Tobar sa Sveučilišta u Stockholmu, jedan od autora studije. “Koristimo akustične rezonatore i gravitacijske valove koji prolaze Zemljom. Taj proces nazivamo ‘gravito-fononskim’ efektom.”
Za razliku od tehnike koju koristi LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), koji je prvi detektirao gravitacijske valove 2015. godine, ova metoda se oslanja na masivne, vibrirajuće objekte. Dok LIGO koristi lasere za mjerenje promjena u udaljenosti dok gravitacijski val prolazi kroz prostor-vrijeme, ova nova metoda koristi teške cilindre koji rezoniraju s valovima.
“Ako koristimo teške cilindre koji rezoniraju s gravitacijskim valovima,” dodao je Sreenath Manikandan, postdoktorand iz Nordijskog instituta za teorijsku fiziku (Nordita), “tada bi se za dovoljno snažan val dio energije mogao pohraniti. Ključ je u korištenju kvantnog osjetila za promatranje pojedinačnih kvantnih skokova energije kad se gravitoni apsorbiraju ili emitiraju.”
Ovi cilindri, teški oko 1.800 kilograma, bit će aluminijske šipke ohlađene do temperature blizu apsolutne nule. Kad gravitacijski val prođe kroz ovaj masivni detektor, svaka sitna vibracija zabilježena promjenom energetske razine mogla bi ukazivati na prisutnost gravitona.
Nova tehnika u suradnji s postojećim detektorima
Znanstvenici će koristiti podatke postojećih detektora gravitacijskih valova kao što je LIGO. Iako je LIGO vrlo uspješan u detekciji gravitacijskih događaja, ne može izdvojiti pojedinačne gravitone. Eksperiment s ‘gravito-fononskim’ efektom uspoređivat će podatke dobivene putem LIGO-a kako bi se utvrdilo je li detektor registrirao mogući graviton. Iako će za detekciju gravitona biti potreban izuzetno snažan gravitacijski val, izračuni sugeriraju da bi gravitacijski val nastao spajanjem neutronskih zvijezda 2017. mogao proizvesti dovoljno gravitona za detekciju. Najveća prepreka na putu ka ovom otkriću jest izrada samih kvantnih senzora, koji trenutačno ne postoje. Ipak, preliminarni rezultati pokazuju da bi rješavanje jedne od najvećih misterija fizike moglo biti bliže nego što smo mislili.
