Гравитон — частица, отвечающая за гравитационное взаимодействие — была предложена физиками около ста лет назад и могла бы соединить общую теорию относительности с квантовой механикой, если бы ее существование было экспериментально доказано. Международная команда ученых из Германии, Китая и США пока не смогла этого сделать, но ближе всех подошла к этой цели — в сложном эксперименте, который готовился три года, они обнаружили электроны, которые вели себя как гравитоны.

Теперь дело за повторными экспериментами и независимым подтверждением их результата.

«Наша работа показала первое экспериментальное обоснование гравитонов в конденсированном веществе с тех пор, как в 1930-х была предложена концепция этой скрытной частицы, — сказал руководитель научной группы Ду Линцзе из Нанкинского университета. — Гравитация это мост, соединяющий квантовую механику и общую теорию относительности. Если [существование гравитонов] будет подтверждено, оно окажет огромное влияние на современные исследования в области физики».

В общей теории относительности Альберт Эйнштейн описал гравитацию как нарушение пространства-времени, вызванное массой и энергией. ОТО прекрасно описывает гравитацию в макромире, но на квантовом уровне начинаются трудности. Одним из вариантов их преодоления могут быть гравитоны, частицы, лишенные массы и движущиеся со скоростью света. Правда, прежде никто их не наблюдал.

Однако в 2019 году Ду и его коллеги наблюдали в квантовых материалах феномен возбуждения, который, как предположили физики-теоретики, указывает существование гравитонов. Следовало провести эксперимент, чтобы внести ясность в этот вопрос, но требования были слишком высокими. Оборудование должно было находиться в холодильной камере с температурой около абсолютного нуля и подвергаться воздействию магнитного поля в 100 тысяч раз мощнее поля Земли. Некоторые условия эксперимента вообще противоречили друг другу: к примеру, для проведения оптических измерений нужны были окна, но из-за них могла повыситься температура внутри камеры.

Тем не менее, за три года работы ученые подготовили все необходимое для проведения этого сложного эксперимента, рассказывает SCMP.

Они использовали плоский лист полупроводящего материала арсенида галлия, который под действием низкой температуры и магнитного поля демонстрирует квантовый эффект Холла. Электроны в полупроводнике начали взаимодействовать между собой и двигаться чрезвычайно организованно, как жидкость.

Затем ученые осветили материал точно настроенным лазером, чтобы изучить потенциальное возбуждение электронов. Они обнаружили, что электроны выполняют так называемый квантовый спин второго типа, который присущ только гравитонам. Измерения импульса и энергии электронов подтвердили, что частицы ведут себя как гравитоны.

Ученые рассчитывают продолжить охоту на гравитоны и надеются совершить по пути множество открытий в квантовой физике.