A részecskefizika standard modellje a tudomány legsikeresebb elmélete, mivel olyan pontossággal jelezte előre a világegyetem építőelemeit és tulajdonságait. A matematika és fizika közös modellje leírja az alapvető kölcsönhatásokat és az ezeket közvetítő részecskéket. Az elektromágnesességnél a fotont, az atommagokat összetartó erős kölcsönhatásnál a gluont, a gyenge kölcsönhatásnál a W-bozont és Z-bozont. 

A negyedik alapvető kölcsönhatás a gravitáció, ennek közvetítőjét, a gravitont azonban eddig nem sikerült megfigyelni. A gravitáció mind közül a leggyengébb kölcsönhatás, csak a hatalmas tömegeknél mutatja meg magát, mikroszkopikus lépték alatt alig van bármilyen hatása. Ez lehet az egyik oka, hogy a mélyben komoly elméleti ellentmondás húzódik a világot nagyban leíró általános relativitáselmélet és a létezés legkisebb egységeit vizsgáló kvantumelmélet között. Így az is kérdőjeles, hogy a gravitáció az alapvető kölcsönhatások közé tartozik-e egyáltalán, és hogy létezik-e graviton.

Ha létezik is, tömege nagyon kicsi, az elektron egymilliárdod részénél egymilliárdszor, és annál is egymilliárdszor könnyebb. Ennek megfelelően irgalmatlanul nehéz megmérni, de nem lehetetlen, így a tudósok egy évszázados próbálkozás után sem adták fel.

A nehézkedés hangja

Ezen az ügyön dolgozik Igor Pikovski, a Stockholmi Egyetem professzora, és az amerikai Stevens Institute of Technology munkatársa, aki kollégáival a Nature Communications folyóirat hasábjain egy olyan módszert javasol, amivel végre kimutathatóvá válna a rejtélyes részecske.

A mérés ötlete a fotoelektromos hatást kimutató kísérleten alapul. Albert Einstein mérése 1905-ben ezzel bizonyította a fotonok létezését, és 1921-ben ezért kapott fizikai Nobel-díjat (az általános relativitáselméletért, mint ismeretes, nem kapott, mert tételeit a későbbi évtizedek megfigyelései igazolták).

A megoldásunk a fényelektromos hatást utánozza, de mi akusztikus rezonátorokat alkalmazunk a gravitációs hullámokon, amelyek a Földet érik. Ezt „gravito-fononikus” hatásnak nevezzük

– magyarázta közleményében Germain Tobar, a Stockholmi Egyetem PhD-hallgatója.

A kutatók példaként hozták a gravitációs hullámokat elsőként kimutató detektor, a fizikai Nobelt ugyancsak elnyerő LIGO működését, ami lézernyalábokból álló karjaival a proton átmérőjénél tízezerszer kisebb téridőhullámokat is képes mérni.

A javasolt detektorok alapját kéttonnás alumíniumhengerek képezik, amelyeket abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékletre hűtenének, hogy a legalacsonyabbra vigyék a kvantumenergiájukat. A hengerek a beérkező gravitációs hullámokkal rezonálnak, és kellő erősségű hullám esetén megmaradna a hullám energiájának egy része – a kvantumenergia-ugrást megfigyelve így láthatóvá válna egy graviton elnyelődése vagy kibocsátása (ahogy annak idején kvantumugrásként megmutatkozott a foton energiája).

A létrejövő detektor a LIGO-val vagy más gravitációshullám-obszervatórium adataival összevetve megmutatná, hogy amit mértek, valóban a gravitációs hullám következménye. 

A kutatók elismerték, hogy a sikerhez egy viszonylag erős hullám beérkezésére van szükség, de számításaik szerint ehhez foghatót 2017-ben már mértek egyszer, két neutroncsillag összeolvadásakor. Egy ilyen hullám elegendő gravitont sodorna magával, hogy a rezonátorban jó eséllyel elnyelődjön egy.

Az alumíniumhengerek és a hozzájuk tartozó kvantumérzékelők megtervezése és legyártása nem egyszerű vagy olcsó dolog. Ha viszont sikerül, akkor a graviton sikeres kimutatása nagy lépés lenne a fizika elméleti egyesítése felé.

(Interesting Engineering, Popular Mechanics, Stockholm University)