Forskare har räknat ut hur enstaka gravitoner kan detekteras. Forskarna inom Igor Pikovskis grupp
har tagit reda på hur enstaka gravitoner kan detekteras med hjälp av kvantavkänning av gravitationsvågor. Bilden har skapats av Pikovskis forskargrupp.

Gravitationen är en av de grundläggande krafterna i naturen, men den är också den absolut svagaste. Gravitationen visar sig när stora massor är inblandade, men på mikroskopisk nivå spelar den knappast någon roll alls. Men om vi tror på kvantteorin måste även gravitationen bestå av små, kvantiserade partiklar - gravitoner. Precis som fotoner är de partiklar som utgör ljus, är gravitoner de partiklar som utgör gravitationsvågor. Och även om det inte finns någon fullständig teori om kvantgravitation (den eftertraktade ”teorin om allt”), så är alla försök till en sådan teori överens om ett faktum: gravitonerna existerar. Men dessa svårfångade partiklar antogs vara för svåra att observera.

Forskare har just ändrat på denna övertygelse. Ett team under ledning av Igor Pikovski, professor vid Stockholms universitet och Stevens Institute of Technology, har kommit fram till hur man bygger en enkelgravitondetektor. Pikovski, tillsammans med doktoranderna Germain Tobar, Thomas Beitel och postdoktorala forskaren Sreenath K. Manikandan, visade hur kvantsensorik möjliggör detektion av gravitoner, och att det kan uppnås inom en snar framtid. Resultaten publiceras i Nature Communications.

Einsteins insikter till undsättning

Enstaka gravitoner interagerar knappt med någonting alls. De passerar nästan all materia när de korsar universum. Det verkade omöjligt att upptäcka dem. Till och med gravitationsvågor, som Einstein förutspådde, bekräftades nyligen i LIGO-detektorerna, efter årtionden av teknikutveckling. Och dessa vågor består av cirka 1036 gravitoner.

— Att detektera enstaka gravitoner verkade vara en omöjlig uppgift, säger Pikovski, men vi tror att vi har hittat ett sätt.

Inspirationen till detta nya resultat kommer från kvantteorins allra första dagar. År 1905 antog Einstein att ljus måste bestå av odelbara kvanta - partiklar som vi idag kallar fotoner. Han tillämpade denna insikt på den fotoelektriska effekten, där han förutspådde att energin mellan ljus och materia endast utbyts i diskreta mängder. Trots mycket motstånd inom fysikerkåren accepterades så småningom den nya kvantteorin om ljus och materia, och den fotoelektriska effekt som Einstein beskrev spelade en central roll.

— Vår lösning efterliknar den fotoelektriska effekten, men vi använder akustiska resonatorer och gravitationsvågor som passerar jorden”, säger Tobar. Vi kallar det för den 'gravito-fononiska' effekten.

En passerande gravitationsvåg förvränger rymden något, vilket oftast inte märks. Men om man mäter tillräckligt exakt kan man upptäcka hur objekt sträcks och pressas periodiskt. LIGO upptäcker dessa förändringar genom att mäta avstånd med en laser. Det finns också ett annat tillvägagångssätt: att använda massiva föremål som vibrerar.

— Om vi använder tunga cylindrar som resonerar med vågorna kan en tillräckligt stark våg avsätta en del energi, påpekar Manikandan, forskare i teoretisk fysik vid Nordita i Stockholm. Tricket är att använda kvantavkänning för att observera enstaka kvanthopp i energi när enstaka gravitoner absorberas eller avges.

Kvantsignaler från klassiska vågor

För att ens en enda händelse ska kunna upptäckas måste gravitationsvågorna vara extremt energirika. Och det finns inget sätt att skapa gravitationsvågor på begäran.

— Vi kan lösa båda problemen genom att använda befintliga observatorier för gravitationsvågor”, förklarar Beitel. Vi väntar tills LIGO upptäcker en passerande gravitationsvåg och observerar hur den samtidigt producerar kvanthopp i vår detektor.

Chanserna för en sådan händelse är små, så forskarna beräknade de optimala parametrarna för redan upptäckta vågor. Och resultaten är lovande. En sammanslagning av neutronstjärnor som observerades 2017, beräknade de, skulle producera precis rätt antal gravitoner så att en skulle absorberas med stor sannolikhet i en realistisk enhet.

Forskarna hoppades kunna hitta kvantmässiga antydningar om gravitation i gravitationsvågor, men hittills har det inte funnits något tänkbart experiment. Frank Wilczek, professor i fysik vid Stockholms universitet, Arizona State University och MIT, var en pionjär inom detta forskningsområde. Wilczek visade nyligen att gravitationsvågor orsakar kvantbrus i gravitationsvågsdetektorer, men att detta statistiska brus är för litet för att kunna observeras. Pikovskis team, som är knutet till Wilczeks grupp vid Stockholms universitet, fokuserade istället på kvantavkänning i massiva kvantapparater. I deras lösning kyls en stor detektor gjord av ett speciellt material som supraflytande helium till sin lägsta energinivå, och kvantavkänning används för att övervaka hur dess energi förändras i diskreta steg. Detta har gjorts tidigare, men tekniken måste nu skalas upp till större massor, vilket är en utmaning för utvecklingen av kvantteknik.   

— Vårt föreslagna experiment är inte lätt”, säger Pikovski. Men kvantgravitation är den moderna fysikens största gåta, och vårt resultat visar att verkliga experiment snart kan testa några av dess förutsägelser.

Publikation:
G. Tobar, S. K. Manikandan, T. Beitel och I. Pikovski.
Nature Communications 15, 7229 (2024)
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51420-8