Nova pesquisa sugere uma maneira de capturar a partícula mais procurada pelos físicos: os grávitons

Uma equipe liderada pelo professor Igor Pikovski, da Universidade Stevens, acaba de descrever como detectar grávitons individuais, considerados os blocos de construção quânticos da gravidade — e tornar esse experimento real deve ser possível com a tecnologia quântica, eles sugerem, em um futuro próximo.

“Este é um experimento fundamental que por muito tempo foi considerado impossível, mas achamos que encontramos uma maneira de fazê-lo”, diz o professor de física de Stevens, Igor Pikovski, também afiliado à Universidade de Estocolmo.

Pikovski liderou uma equipe de alunos de pós-graduação do primeiro ano Germain Tobar, Thomas Beitel e o pesquisador de pós-doutorado Sreenath Manikandan. Seus resultados sobre “detecção de grávitons únicos com sensoriamento quântico” foram publicados em Comunicações da Natureza.

Partículas elusivas que constroem o tecido cósmico

A gravidade simplesmente funciona. Coisas caem, planetas orbitam uns aos outros. Mais de cem anos atrás, Einstein revolucionou nossa compreensão da gravidade, explicando-a como mudanças no espaço e no tempo. Muitos efeitos da gravidade antes inimagináveis ​​agora foram confirmados: dilatação do tempo, ondas gravitacionais ou buracos negros.

Mas há algo mais especial sobre a gravidade: só vimos sua versão “clássica” até agora, enquanto todas as outras forças são explicadas pela teoria quântica. Um dos cálices sagrados da física há muito tempo é vincular a gravidade com a mecânica quântica, mas esse problema continua sem solução. Em qualquer teoria quântica da gravidade, esperaríamos que certas partículas únicas indivisíveis ocorressem.

Os físicos chamaram essas partículas elusivas de grávitons — pense nelas como blocos de construção da gravidade, assim como os átomos são os blocos de construção da matéria. Em teoria, as ondas gravitacionais que frequentemente passam pela Terra a partir de eventos cósmicos colossais, como colisões de buracos negros, são compostas de um grande número desses grávitons.

Detectores grandes e impressionantes como o LIGO agora podem confirmar a existência de tais ondas gravitacionais. No entanto, um gráviton nunca foi detectado na história; até mesmo a ideia de avistar um foi considerada impossível por muito tempo.

No entanto, isso pode ter mudado.

A equipe de Pikovski propôs uma solução que envolve acoplar a tecnologia de detecção física existente — algo chamado ressonador acústico, basicamente um cilindro pesado — e equipá-la com métodos aprimorados de detecção do estado de energia (também conhecido como detecção quântica).

“Nossa solução é similar ao efeito fotoelétrico que levou Einstein à teoria quântica da luz”, explica Pikovski, “só que com ondas gravitacionais substituindo ondas eletromagnéticas. A chave é que a energia é trocada entre o material e as ondas somente em passos discretos — grávitons únicos são absorvidos e emitidos.”

Mas como detectá-los?

“Precisamos resfriar o material e então monitorar como a energia muda em uma única etapa, e isso pode ser alcançado por meio de detecção quântica”, diz Manikandan, pesquisador de pós-doutorado no Instituto Nórdico de Física Teórica em Estocolmo.

“Ao observar esses saltos quânticos no material, podemos deduzir que um gráviton foi absorvido”, acrescenta Tobar, agora um estudante de pós-graduação na Universidade de Estocolmo. “Nós o chamamos de ‘efeito gravito-fonônico’.”

Uma das inovações propostas pela equipe é usar dados disponíveis do LIGO, um observatório americano de duas instalações que recentemente confirmou a existência de ondas gravitacionais.

“Os observatórios LIGO são muito bons em detectar ondas gravitacionais, mas não conseguem capturar grávitons individuais”, observa Beitel, um aluno de doutorado de Stevens. “Mas podemos usar seus dados para fazer correlação cruzada com nosso detector proposto para isolar grávitons individuais.”

Colisões cósmicas, cilindros pesados, sensores quânticos

Como a equipe de Pikovski projetou esse experimento engenhoso? Muita matemática e criatividade, além de uma grande ajuda dos recentes avanços em tecnologia.

“Muitos físicos pensaram sobre isso ao longo dos anos, mas a resposta sempre foi a mesma: não pode ser feito”, diz Pikovski. “Era impossível imaginar experimentos quânticos que fossem além de alguns átomos, e eles dificilmente interagiam com grávitons.”

Mas o jogo agora mudou: cientistas começaram recentemente a criar e observar efeitos quânticos em objetos macroscópicos. Pikovski percebeu que esses objetos quânticos macroscópicos são ideais para ver assinaturas de grávitons individuais: eles interagem muito mais fortemente com a gravidade, e podemos detectar como esses objetos absorvem e emitem energia em etapas discretas.

A equipe começou a pensar em um possível experimento. Usando dados de ondas gravitacionais que já foram medidas na Terra, como aquelas que chegaram em 2017 de uma colisão de duas estrelas de nêutrons distantes do tamanho de Manhattan (mas superdensas), eles calcularam os parâmetros que otimizariam a probabilidade de absorção para um único gráviton.

“Acontece que essa medição pode ser feita”, diz Manikandan, “por exemplo, usando um dispositivo semelhante à barra Weber”.

As barras de Weber são barras cilíndricas grossas e pesadas (até uma tonelada) nomeadas em homenagem ao seu inventor, o nativo de Nova Jersey Joseph Weber. As barras caíram em desuso recentemente, à medida que as tecnologias de detecção baseadas em óptica proliferaram, mas elas realmente funcionariam bem para uma expedição de caça a grávitons de um físico.

Isso ocorre porque eles podem absorver e emitir grávitons, em analogia direta ao que Einstein chamou de “emissão e absorção estimuladas” de fótons, os menores blocos de construção da luz.

Um detector quântico recém-projetado seria resfriado à sua energia mais baixa, então seria ajustado para vibrar muito levemente pela passagem de uma onda gravitacional. Sensores de energia supersensíveis poderiam então, teoricamente, capturar como essas vibrações mudavam em etapas discretas. Cada mudança discreta (também conhecida como salto quântico) indicaria um único evento de gráviton.

Claro, há um porém com a captura de grávitons. A tecnologia de sensoriamento necessária ainda não existe.

“Saltos quânticos foram observados em materiais recentemente, mas ainda não nas massas que precisamos”, aponta Tobar. “Mas a tecnologia avança muito rapidamente, e temos mais ideias sobre como torná-la mais fácil.”

“Temos certeza de que esse experimento funcionaria”, entusiasma-se Thomas. “Agora que sabemos que os grávitons podem ser detectados, é uma motivação adicional para desenvolver ainda mais a tecnologia de detecção quântica apropriada. Com alguma sorte, será possível capturar grávitons individuais em breve.”

Mas, embora novas tecnologias quânticas sejam críticas, a inspiração para esse resultado veio de outro lugar. “Sabemos que a gravidade quântica ainda não foi resolvida, e é muito difícil testá-la em toda a sua glória”, diz Pikovski, “mas agora podemos dar os primeiros passos, assim como os cientistas fizeram há mais de cem anos com quanta de luz”.