New research suggests a way to capture physicists' most wanted particle—gravitons
par Stevens Institute of Technology
On pense que la gravité est constituée de minuscules éléments quantiques appelés gravitons, mais jusqu'à présent, ils se sont révélés trop difficiles à observer. Une nouvelle découverte du Pikovski Research Group montre que les capteurs quantiques de nouvelle génération peuvent en capturer un seul. Crédit : Pikovski Research Group
Une équipe dirigée par le professeur Igor Pikovski de Stevens vient de décrire comment détecter des gravitons uniques, considérés comme les éléments quantiques de la gravité. Il devrait être possible de concrétiser cette expérience grâce à la technologie quantique, suggèrent-ils, dans un avenir proche.
"Il s'agit d'une expérience fondamentale qui a longtemps été considérée comme impossible, mais nous pensons avoir trouvé un moyen de la réaliser", déclare Igor Pikovski, professeur de physique à Stevens, également affilié à l'université de Stockholm.
Pikovski a dirigé une équipe composée d'étudiants diplômés de première année, Germain Tobar, Thomas Beitel et du chercheur postdoctoral Sreenath Manikandan. Leurs résultats sur la « détection de gravitons isolés par détection quantique » ont été publiés dans Nature Communications.
Des particules insaisissables qui construisent la structure cosmique
La gravité fonctionne tout simplement. Les choses tombent, les planètes gravitent les unes autour des autres. Il y a plus de cent ans, Einstein a révolutionné notre compréhension de la gravité en l'expliquant par des changements dans l'espace et le temps. De nombreux effets de la gravité jusqu'alors inimaginables ont maintenant été confirmés : dilatation du temps, ondes gravitationnelles ou trous noirs.
Mais il y a autre chose de particulier à propos de la gravité : nous n'avons vu jusqu'à présent que sa version « classique », alors que toutes les autres forces sont expliquées par la théorie quantique. L'un des saints Graals de la physique a longtemps été de lier la gravité à la mécanique quantique, mais ce problème reste non résolu. Dans toute théorie quantique de la gravité, nous nous attendons à ce que certaines particules uniques et indivisibles apparaissent.
Les physiciens ont appelé ces particules insaisissables gravitons - considérez-les comme des éléments constitutifs de la gravité, tout comme les atomes sont les éléments constitutifs de la matière. En théorie, les ondes gravitationnelles qui traversent fréquemment la Terre à la suite d'événements cosmiques colossaux comme les collisions de trous noirs sont constituées d'un nombre considérable de ces gravitons.
Des détecteurs impressionnants comme LIGO peuvent désormais confirmer l'existence de telles ondes gravitationnelles. Pourtant, aucun graviton n'a jamais été détecté dans l'histoire ; même l'idée d'en repérer un a longtemps été considérée comme impossible.
Mais cela vient peut-être de changer.
L'équipe de Pikovski a proposé une solution qui consiste à coupler la technologie de détection physique existante (un résonateur acoustique, en fait un cylindre lourd) et à l'équiper de méthodes améliorées de détection de l'état énergétique (également appelées détection quantique).
« Notre solution est similaire à l'effet photoélectrique qui a conduit Einstein à la théorie quantique de la lumière », explique Pikovski, « mais les ondes gravitationnelles remplacent les ondes électromagnétiques. L'essentiel est que l'énergie n'est échangée entre la matière et les ondes que par étapes discrètes : des gravitons uniques sont absorbés et émis. »
Mais comment les détecter
« Nous devons refroidir le matériau, puis surveiller les changements d’énergie en une seule étape, ce qui peut être réalisé grâce à la détection quantique », explique Manikandan, chercheur postdoctoral à l’Institut nordique de physique théorique de Stockholm.
« En observant ces sauts quantiques dans le matériau, nous pouvons déduire qu’un graviton a été absorbé », ajoute Tobar, aujourd’hui étudiant diplômé à l’Université de Stockholm. « Nous appelons cela l’« effet gravito-phononique ». »
L’une des innovations proposées par l’équipe consiste à utiliser les données disponibles du LIGO, un observatoire américain à deux installations qui a récemment confirmé l’existence des ondes gravitationnelles.
« Les observatoires LIGO sont très efficaces pour détecter les ondes gravitationnelles, mais ils ne peuvent pas détecter les gravitons isolés », note Beitel, doctorant à Stevens. « Mais nous pouvons utiliser leurs données pour établir une corrélation croisée avec notre détecteur proposé afin d’isoler les gravitons isolés. »
Collisions cosmiques, cylindres lourds, capteurs quantiques
Comment l'équipe de Pikovski a-t-elle conçu cette expérience ingénieuse ? Beaucoup de mathématiques et de créativité, ainsi que l'aide précieuse des récentes avancées technologiques.
« De nombreux physiciens ont réfléchi à cette question au fil des ans, mais la réponse était toujours la même : c'est impossible », explique Pikovski. « Il était impossible d'imaginer des expériences quantiques allant au-delà de quelques atomes, et elles n'interagissent pratiquement pas avec les gravitons. »
Mais la donne a changé : les scientifiques ont récemment commencé à créer et à observer des effets quantiques dans des objets macroscopiques. Pikovski s'est rendu compte que ces objets quantiques macroscopiques sont idéaux pour voir les signatures d'un seul graviton : ils interagissent beaucoup plus fortement avec la gravité, et nous pouvons détecter comment ces objets absorbent et émettent de l'énergie par étapes discrètes.
L'équipe a commencé à réfléchir à une expérience possible. En utilisant des données d'ondes gravitationnelles déjà mesurées sur Terre, comme celles qui sont arrivées en 2017 à la suite d'une collision de deux étoiles à neutrons lointaines de la taille de Manhattan (mais très denses), ils ont calculé les paramètres qui optimiseraient la probabilité d'absorption d'un seul graviton.
"Il s'avère que cette mesure peut être effectuée", explique Manikandan, "par exemple, en utilisant un appareil similaire à la barre de Weber".
Les barres de Weber sont des barres cylindriques épaisses et lourdes (jusqu'à une tonne) nommées d'après leur inventeur, Joseph Weber, originaire du New Jersey. Ces barres sont tombées en désuétude récemment en raison de la prolifération des technologies de détection optique, mais elles seraient en fait très utiles pour une expédition de recherche de gravitons menée par un physicien.
Cela s'explique par le fait qu'elles peuvent absorber et émettre des gravitons, en analogie directe avec ce qu'Einstein a appelé "l'émission et l'absorption stimulées" des photons, les plus petits éléments constitutifs de la lumière.
Un détecteur quantique nouvellement conçu serait refroidi à sa plus basse énergie, puis mis en vibration très légèrement par le passage d'une onde gravitationnelle. Des capteurs d'énergie ultra-sensibles pourraient alors théoriquement capturer la façon dont ces vibrations ont changé par étapes discrètes. Chaque changement discret (également connu sous le nom de saut quantique) indiquerait un événement graviton unique.
Bien sûr, il y a un piège avec la capture des gravitons. La technologie de détection nécessaire n'existe pas encore tout à fait.
"Des sauts quantiques ont été observés dans les matériaux récemment, mais pas encore aux masses dont nous avons besoin", souligne Tobar. "Mais la technologie progresse très rapidement, et nous avons plus d'idées sur la façon de les rendre plus faciles."
"Nous sommes certains que cette expérience fonctionnerait", s'enthousiasme Thomas. "Maintenant que nous savons que les gravitons peuvent être détectés, cela constitue une motivation supplémentaire pour développer davantage la technologie de détection quantique appropriée. Avec un peu de chance, on pourra bientôt capturer des gravitons individuels."
Mais si les nouvelles technologies quantiques sont essentielles, l'inspiration pour ce résultat est venue d'ailleurs. « Nous savons que la gravité quantique n'est pas encore résolue et qu'il est trop difficile de la tester dans toute sa splendeur », explique Pikovski, « mais nous pouvons désormais faire les premiers pas, tout comme les scientifiques l'ont fait il y a plus de cent ans avec les quanta de lumière. »
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COMMENTAIRES
1/Quel type de particule pourrait etre représenté par un
graviton? La mécanique
quantique qui
postulé que l'on pense être le porteur du champ gravitationnel. Il est l'alogue du
photo vis a vis du champ electromagn étique .....
Les gravitons,
comme les photons, seraient des particules sans masse, électriquement non chargées, se déplaçant à la vitesse de la lumière. de spîn 2
2/Pouvons-nous créer des gravitons ?
Si les gravitons existent, il devrait être possible de les créer mais compte tenu des tres faibles masses des neutrinos serait il possible de les apercevoir ????Puet -etre
au LHC, mais a condition qu ils ne
soient pas trop minuscules et
ne disparaissent pas trop vite ... Cet article est peut --etre trop optimiste !!
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More information: Germain Tobar et al, Detecting single gravitons with quantum sensing, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51420-8
Journal information: Nature Communications
Provided by Stevens Institute of Technology
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