Experimento quântico pode finalmente revelar a esquiva partícula gravitacional: WebCuriosos

O gráviton – uma partícula hipotética que transporta a força da gravidade – escapou à detecção durante mais de um século. Mas agora os físicos projetaram uma configuração experimental que poderia, em teoria, detectar esses minúsculos objetos quânticos.

Da mesma forma que partículas individuais chamadas fótons são portadoras de força para o campo eletromagnético, os campos gravitacionais poderiam teoricamente ter suas próprias partículas portadoras de força chamadas grávitons.

O problema é que eles interagem tão fracamente que nunca foram detectados, e alguns físicos acreditam que nunca o serão.

Mas um novo estudoliderado pela Universidade de Estocolmo, é mais otimista. A equipe descreveu um experimento que poderia medir o que eles chamam de “efeito gravito-fonônico” e capturar grávitons individuais pela primeira vez.

O experimento envolveria o resfriamento de uma enorme barra de alumínio de 1.800 kg (quase 4.000 libras) até um fio de cabelo acima do zero absoluto, conectando-a a sensores quânticos contínuos e esperando pacientemente que as ondas gravitacionais a percorressem. Quando isso acontecesse, o instrumento vibraria em escalas muito pequenas, que os sensores poderiam ver como uma série de etapas discretas entre níveis de energia.

Cada uma dessas etapas (ou saltos quânticos) marcaria a detecção de um único gráviton.

Qualquer sinal potencial poderia então ser cruzado com os dados da instalação LIGO para garantir que é proveniente de um evento de onda gravitacional e não de interferência de fundo.

É um experimento surpreendentemente elegante, mas há um problema: esses sensores quânticos sensíveis ainda não existem. Dito isto, a equipe acredita que construí-los deverá ser possível num futuro próximo.

“Temos certeza de que esse experimento funcionaria”, diz o físico teórico Thomas Beitelautor do estudo. “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, em breve será possível capturar grávitons únicos.”

Das quatro forças fundamentais da física, a gravidade é aquela com a qual estamos mais familiarizados diariamente, mas em muitos aspectos continua a ser a mais misteriosa. O eletromagnetismo tem o fóton, a interação fraca tem os bósons W e Z, e a interação forte tem o glúon, então, de acordo com alguns modelos, a gravidade deve tem o gráviton. Sem ele, é muito mais difícil fazer a gravidade funcionar com o Modelo Padrão da teoria quântica.

Esta nova experiência poderia ajudar, ironicamente, ao regressar a algumas das primeiras experiências no terreno. A partir da década de 1960, físico Joseph Weber tentou encontrar ondas gravitacionais usando cilindros sólidos de alumínio, suspensos em fios de aço para isolá-los do ruído de fundo. Se as ondas gravitacionais passassem, segundo a ideia, isso desencadearia vibrações nos cilindros que seriam convertidas em sinais elétricos mensuráveis.

Com esta configuração, Weber insistiu que detectou ondas gravitacionais já em 1969, mas os seus resultados não puderam ser replicados e os seus métodos foram posteriormente desacreditados. O fenômeno permaneceria sem ser detectado até que o LIGO os encontrasse em 2015.

Weber não estava procurando especificamente grávitons, mas isso poderia ser possível com uma atualização do século 21 em seu experimento. O resfriamento criogênico, juntamente com a proteção contra ruído e outras fontes de vibração, mantém os átomos de alumínio o mais imóveis possível, de modo que os sinais potenciais sejam mais claros. E ter um detector de ondas gravitacionais confirmado em mãos também é útil.

“Os observatórios LIGO são muito bons na detecção de ondas gravitacionais, mas não conseguem capturar grávitons únicos”, diz Beitel. “Mas podemos usar os seus dados para fazer uma correlação cruzada com o nosso detector proposto para isolar grávitons únicos.”

Os pesquisadores dizem que os candidatos mais promissores são as ondas gravitacionais provenientes de colisões entre pares de estrelas de nêutrons, dentro do alcance de detecção do LIGO. A cada evento, estima-se que um undecilhão de grávitons (que é um 1 seguido de 36 zeros) passaria pelo alumínio, mas apenas um punhado seria absorvido.

A última peça do quebra-cabeça são aqueles incômodos sensores quânticos. Felizmente, a equipe acredita que a tecnologia não está muito fora de alcance.

“Saltos quânticos foram observados em materiais recentemente, mas ainda não nas massas que precisamos”, diz O físico da Universidade de Estocolmo, Germain Tobar, autor do estudo. “Mas a tecnologia avança muito rapidamente e temos mais ideias sobre como tornar isso mais fácil.”

A pesquisa foi publicada na revista Comunicações da Natureza.