Гравитоните, частиците, за които се смята, че са носители на гравитацията, никога не са били наблюдавани в космоса - но нещо много подобно е открито в полупроводник.
От десетилетия физиците търсят гравитоните - хипотетичните частици, за които се смята, че пренасят гравитацията. Те никога не са били откривани в космоса, но сега частици, подобни на гравитоните, са наблюдавани в полупроводник. Използването им за разбиране на поведението на гравитоните може да помогне за обединяването на Общата теория на относителността и квантовата механика, които отдавна са в противоречие.
Гравитоните са хипотетичните носители на гравитацията, най-слабата от четирите природни сили. Носителите на другите три са известни: фотони за електромагнитната сила, глуони за силното взаимодействие и W и Z бозони за слабото взаимодействие. Досега не е имало следа от гравитони, което е свързано с факта, че гравитацията е много слаба сила - тя е 10^38 пъти по-слаба от силното взаимодействие.
"... статията, която постави началото на всичко това, е от далечната 1993 г.", разказва Лорен Пфайфър (Loren Pfeiffer) от Принстънския университет. Той пише тази статия заедно с няколко колеги, включително Арон Пинчук (Aron Pinczuk), който умира през 2022 г., преди да успеят да открият намеци за неуловимите частици.
Учениците и сътрудниците на Пинчук, включително Пфайфър, вече са завършили експеримента, който двамата са започнали да обсъждат преди 30 години.
Те се фокусират върху електроните в плоско парче от полупроводниковия галиев арсенид, което поставят в мощен охладител и излагат на силно магнитно поле. При тези условия квантовите ефекти карат електроните да се държат странно - те силно взаимодействат помежду си и образуват необичайна несвиваема течност.
"Нашият експеримент бележи първото експериментално обосноваване на тази концепция за гравитони, поставена от пионерски работи в областта на квантовата гравитация от 30-те години на миналия век, в система от кондензирана материя“, посочва Линдзие Ду (Lingjie Du) от университета Нанкин в Китай, бивш постдокторант в Колумбия и старши автор на статията.
В тази течност, вид кондензирана материя, наречена течност с фракционен квантов ефект на Хол (FQHE), екипът открива частицата. FQHE течностите са система от силно взаимодействащи електрони, които се срещат в две измерения при силни магнитни полета и ниски температури. Те могат да бъдат теоретично описани с помощта на квантовата геометрия, нововъзникнала математическа концепция, която се прилага за малките физически разстояния, при които влияе квантовата механика върху физическите явления. Електроните в FQHE са обект на т. нар. квантова метрика, за която се прогнозира, че ще доведе като реакция на светлинен поток до подобни на гравитони колективни възбуждания. Досега нямаше възможност за тестване на тази идея.
Тези колективни възбуждания с определен спин изследователите обозначават като CGM (chiral graviton modes) - хирални гравитонни модове. Терминът "хирален" се използва за описание на обект, който не може да се наслагва върху огледалния си образ.
Една от техниките, установени от Пинчук, се нарича нискотемпературно резонансно нееластично разсейване, което измерва как светлинните частици или фотоните се разпръскват, когато ударят материал, като по този начин разкриват основните свойства на материала. Дзъю Лиу (Ziyu Liu) от Колумбийския университет в Ню Йорк и неговите съавтори в статията Nature адаптират техниката, за да използват т. нар. кръгово поляризирана светлина, в която фотоните имат определен спин. Когато поляризираните фотони взаимодействат с частица като CGM, която също има спин, знакът на спина на фотоните ще се промени в отговор по по-отличителен начин, отколкото ако взаимодействат с други видове модове (трептения).
Новата статия в Nature е резултат от международно сътрудничество. Използвайки проби, подготвени от дългогодишните сътрудници на Пинчук в Принстън, Лиу и физикът от Колумбия Кори Дийн (Cory Dean) извършват серия от измервания в Колумбия. След това те изпратиха пробата за експерименти с нискотемпературно оптично оборудване, което Ду прекара повече от три години в изграждането на новата си лаборатория в Китай. Те наблюдават физически свойства, съответстващи на тези, предсказани от квантовата геометрия за CGM, включително техния спин=2. (Теоретичко гравитонът би трябвало да има спин, равен на 2, т.е. цяло число като всеки бозон )
Тези характеристики съвпадат при CGM и гравитоните, все още неоткрита частица, за която се предвижда да играе основна роля в гравитацията.
Гравитонни модове и нееластично разсейване на светлината. Кредит: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07201-w
Както CGM, така и гравитоните са резултат от квантувани метрични флуктуации, обяснява Лиу, при които тъканта на пространство-времето се издърпва произволно и се разтяга в различни посоки. Следователно теорията зад резултатите на екипа може потенциално да свърже две подполета на физиката: физика на високите енергии, която работи в най-големите мащаби на Вселената, и физиката на кондензираната материя, която изучава материалите и атомните и електронните взаимодействия, които им придават техните уникални свойства.
В бъдещата работа Лиу заявява, че техниката на поляризирана светлина трябва да бъде лесна за прилагане към течности FQHE при по-високи енергийни нива, отколкото са изследвани в настоящата статия. Трябва да се прилага и за допълнителни типове квантови системи, където квантовата геометрия предсказва уникални свойства от колективни частици, като свръхпроводници.
"Дълго време съществуваше тази мистерия за това как колективните модове с голяма дължина на вълната, като CGM, могат да бъдат изследвани в експерименти. Предоставяме експериментални доказателства, които подкрепят прогнозите на квантовата геометрия", изтъква Лиу. "Мисля, че Арон би бил много горд да види това разширение на неговите техники и ново разбиране на система, която е изучавал дълго време.“
Справка: Jiehui Liang, Ziyu Liu, et al. Evidence for chiral graviton modes in fractional quantum Hall liquids. Nature 2024. DOI:10.1038/s41586-024-07201-w
Източник: Researchers Find First Experimental Evidence for a Graviton-like Particle in a Quantum Material, Columbia University,
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари