Pesquisadores do 'Instituto Stevens de Tecnologia', nos EUA, Projetaram o Primeiro Detector de Grávitons, as Partículas da Gravidade

Caros amantes das atividades espaciais!

 

No dia 02/02, o portal Inovação Tecnológica informou que pesquisadores do Instituto Stevens de Tecnologia, nos EUA, projetaram o primeiro Detector de Grávitons, as Partículas da Gravidade.

 

[Imagem: Igor Pikovski]

Os grávitons são as hipotéticas partículas da força da gravidade. Este é o esquema do primeiro experimento do mundo projetado para detectá-los, usando barras de hélio superfluido iluminadas por laser.

 

Unificar Relatividade Com Mecânica Quântica

 

De acordo com a nota do portal, os físicos têm um monte de problemas não resolvidos, mas um dos principais é a inconsistência entre as duas teorias de maior sucesso na Física: A teoria da relatividade geral de Einstein não bate com a mecânica quântica.

 

A teoria quântica descreve a natureza em termos de partículas e interações quânticas discretas, enquanto a relatividade geral trata a gravidade como algo geométrico, uma curvatura do espaço-tempo causada pela massa. Há várias ideias para unificar relatividade e mecânica quântica, sendo a mais comum delas a proposta de que a própria força da gravidade seja quântica, mediada por partículas hipotéticas apelidadas de "grávitons".

 

O problema é que, assim como aconteceu antes com os neutrinos, nem os físicos mais entusiasmados acreditavam haver meios práticos de detectar um gráviton.

 

Uma exceção é a equipe do Professor Igor Pikovski, do Instituto Stevens de Tecnologia, nos EUA, que trabalha há anos com a ideia de testar a gravidade quântica em laboratório. Então, em 2024, eles acreditaram ter posto o ovo de Colombo de pé.

 

"Durante muito tempo, a detecção de grávitons foi considerada tão improvável que nem sequer foi tratada como um problema experimental. O que descobrimos é que essa conclusão já não se sustenta na era da tecnologia quântica moderna," defende ele.

 

[Imagem: Germain Tobar et al. - 10.1038/s41467-024-51420-8]Controle magnético produtos.

Ondas gravitacionais que estejam passando pela Terra poderão permitir detectar grávitons individuais.

 

Partículas das Ondas Gravitacionais

 

A chave desta abordagem reside em uma nova perspectiva que sintetiza dois grandes avanços experimentais recentes. O primeiro foi a detecção de ondas gravitacionais, ondulações no espaço-tempo produzidas por colisões de corpos celestes muito massivos, como buracos negros e estrelas de nêutrons, observadas pela primeira vez em 2015. Se a gravidade obedecer à física quântica, com sua partícula associada, então as ondas gravitacionais poderiam ser descritas como vastas coleções de grávitons operando em conjunto, apenas parecendo a onda clássica que parece que vemos nas observações das ondas gravitacionais.

 

O segundo avanço vem do que poderíamos chamar de engenharia quântica. Na última década, os físicos aprenderam a resfriar, controlar e medir sistemas cada vez mais massivos em estados quânticos genuínos, levando os fenômenos quânticos muito além da escala atômica.

 

O crédito do professor Pikovski é que ele se deu conta de que, se essas duas capacidades forem combinadas, então torna-se possível absorver e detectar um único gráviton: Uma onda gravitacional que passa pode, em princípio, transferir exatamente um quantum de energia (ou seja, um único gráviton) para um sistema quântico suficientemente massivo. A mudança de energia resultante é minúscula, mas pode ser detectada.

 

A grande dificuldade está no fato de que os grávitons quase nunca interagem com a matéria. Para ter sucesso, o experimento então exigirá levar a escala dos sistemas quânticos para a marca do quilograma, e os sistemas quânticos mais massivos já detectados hoje estão na escala dos nanogramas.

 

[Imagem: Jiehui Liang et al. - 10.1038/s41586-024-07201-w]

Já conseguimos detectar um análogo do gráviton, reacendendo o interesse na física de partículas.

 

Agora é Só Fazer Maior

 

Com base em todas essas possibilidades, a equipe idealizou agora o primeiro experimento explicitamente projetado para detectar grávitons individuais: Um ressonador de hélio superfluido na escala de centímetros, aproximando-se do regime necessário para absorver grávitons individuais de ondas gravitacionais astrofísicas.

 

"Já temos as ferramentas essenciais. Podemos detectar quanta individuais em sistemas quânticos macroscópicos. Agora é uma questão de escala," disse o Professor Jack Harris, parceiro do projeto.

 

O experimento consistirá em imergir um ressonador cilíndrico, na escala de grama, em um recipiente de hélio superfluido, resfriar tudo até seu estado fundamental quântico e usar medições a laser para detectar fônons individuais - os fônons são os quanta vibracionais nos quais os grávitons são convertidos.

 

O detector se baseia em um sistema que a equipe do professor Harris já construiu, mas que deverá ser reconstruído em um novo patamar, escalando a massa da escala de nanogramas para gramas sem perder a sensibilidade. Se funcionar, este protótipo se tornará o modelo para uma próxima iteração, que poderá ser escalada para a sensibilidade necessária para a detecção direta de grávitons, na faixa do quilograma, abrindo uma nova fronteira experimental para toda a Física.

 

Saibam mais:

 

Artigo: Detecting single gravitons with quantum sensing

Autores: Germain Tobar, Sreenath K. Manikandan, Thomas Beitel, Igor Pikovski

Revista: Nature Communications

Vol.: 15, Article number: 7229

DOI: 10.1038/s41467-024-51420-8

 

Artigo: Measuring High-Order Phonon Correlations in an Optomechanical Resonator

Autores: Y. S. S. Patil, J. Yu, S. Frazier, Y. Wang, K. Johnson, J. Fox, J. Reichel, J. G. E. Harris

Revista: Physical Review Letters

Vol.: 128, 183601

DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.183601

 

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