Страхотен пробив: откриха странни частици, които се държат като гравитони – хипотетичните „гравитационни частици“

Изследователи представиха първите експериментални доказателства за съществуването на гравитоноподобни частици. Това са хипотетични частици, за които се смята, че „пренасят“ гравитацията. Наречени „хирални гравитонни модове“ CGM (chiral graviton modes), те са (в случая на този експеримент) колективни възбуждания в полупроводников материал. Там те се държат като частици и проявяват характеристики, типични за гравитоните. Това откритие може да помогне за подобряване на разбирането ни за Вселената. По-конкретно то може да улесни потенциалното обединение на общата теория на относителността и квантовата механика.

Гравитонът е хипотетична елементарна частица, която е носител на гравитацията. Предложена през 30-те години на миналия век, тя се теоретизира главно в квантовите гравитационни системи. По аналогия може да се сравни с гумената лента в прашката, която държи камъка и предава силата, необходима за изтласкването му в желаната посока. По този начин колкото повече гравитони има в едно гравитационно поле, толкова по-мощно е то.

Но въпреки десетилетията на изследвания тези прословути частици така и не са открити. Публикуваната през 1993 г. работа на физика Арон Пинчук (починал през 2022 г.) доведе до откриването на частиците, които се доближават най-много до тях. Продължавайки работата му, неговият екип и бившите му ученици сега предоставят първите експериментални доказателства, които най-накрая могат да доведат до откриването на тези неуловими частици.

„Нашият експеримент е първото експериментално потвърждение на концепцията за гравитона, постулирана от пионерите на квантовата гравитация от 30-те години на миналия век, в система от кондензирана материя“,

обяснява в съобщение за пресата Линдзие Ду, бивш постдокторант от Колумбийския университет, който сега работи в университета Нанкин в Китай. Изследването е публикувано в списание Nature.

Характеристики, характерни за гравитоните

Научната работа на Пинчук насочва към възможността за откриване на специален вид частици в специфичен вид кондензирана материя, наречена течност с дробен квантов ефект на Хол (FQHE).

„Арон е пионер в изучаването на екзотични фази на материята, включително възникващи квантови фази в твърдотелни наносистеми, като използва спектри на ниско разположени колективни възбуждания“,

обяснява съавторът на изследването Урсула Вурстбауер от Университета в Мюнстер, Германия.

FQHE течността е система от електрони, които силно взаимодействат помежду си при много ниски температури и много високи магнитни полета. С други думи, тази течност не е хомогенна, а проявява колективни движения на електроните, които могат да доведат до възбуждания под въздействието на светлината.

Този тип течност е описана и теоретично с помощта на квантовата геометрия и математически концепции, приложими за субатомните мащаби. Въпреки това досега нямаше експериментални техники за потвърждаване на тези хипотези.

„От теоретична гледна точка теорията беше почти завършена, но що се отнася до експериментите, не бяхме сигурни“,

казва пред New Scientist Зию Лиу от Колумбийския университет, който също е участвал в изследването.

В своя експеримент Лиу и колегите му адаптират предложената от Пинчук преди 30 години техника, наречена „резонансна нееластична дифузия при ниска температура“. Тази техника измерва движението на фотоните при взаимодействието им с даден материал, което позволява да се анализират неговите свойства. В новото изследване обаче се използва кръгово поляризиран лазер, при който фотоните имат специфичен спин. Когато тези поляризирани фотони взаимодействат с частица FQHE (която също има спин), техният спин се променя значително. За да произведат FQHE течност и да наблюдават тези ефекти, изследователите използват двуизмерна полупроводникова повърхност от галиев арсенид.

Те са наблюдавали възбуждания, чиито характеристики съвпадат с тези, предсказани от квантовата геометрия за CGM, като спин-2. Тези свойства са теоретично доказани само за гравитоните. Подобно на гравитоните, CGM са резултат от квантови метрични флуктуации, при които пространство-времето е произволно разтеглено в различни посоки. Това предполага, че теорията, която стои зад тези резултати, може потенциално да свърже физиката на високите енергии (която работи в най-големите мащаби във Вселената) и физиката на кондензираната материя (която изучава материалите и атомните взаимодействия). Тя също така предлага потенциално обединение на два фундаментално несъвместими принципа: общата относителност и квантовата механика.

Важно е обаче да се отбележи, че тази експериментална система не отразява пространство-времето като такова. Всъщност в тази система електроните са ограничени в двуизмерното пространство и се движат много по-бавно от електроните, управлявани според постулатите на теорията на относителността. Следователно този експериментален протокол може да се използва за доказване на някои теории за квантовата гравитация, но не и за изучаване на всички квантови явления, протичащи в пространство-времето в космически мащаби. Независимо от това експертите твърдят, че методът на поляризираната светлина може да се използва с флуиди на FQHE на по-високи енергийни нива от тези, изследвани в това проучване. А това разширява обхвата на приложението му към други квантови системи.

Проблемът за квантовата гравитация и досега изглежда нерешим. Той е свързан с нашите начини за обяснение на Вселената. Класическата физика с помощта на гравитацията обяснява процесите в повечето мащаби. Но при много малки мащаби, до атомно и субатомно ниво, гравитацията не може да обясни наблюдаваните явления. За да изследват тези мащаби, физиците използват квантовата механика. Но както класическата физика не се прилага за квантовите мащаби, така и квантовата механика не работи в мащабите на класическата физика. Въпреки това Вселената си функционира, което кара учените да търсят начини да разрешат тези противоречия.