Fizikte yeni bir araştırma; Gravitonlar’ı yakalamanın bir yolunu öneriyor

Kozmik yapıyı oluşturan yakalanması zor parçacıklar; “Gravitonlar”

Yerçekimi sayesinde cisimler düşer, gezegenler kendi yörüngelerinde ve güneşin etrafında döner. Yüz yıldan fazla bir süre önce, Einstein yerçekimi anlayışımızı, onu uzay ve zamandaki değişimler olarak açıklayarak devrim niteliğinde değiştirmişti. Daha önce hayal bile edilemeyen yerçekiminin birçok etkisi artık doğrulandı: zaman genişlemesi, yerçekimi dalgaları veya kara delikler.

Ancak yerçekimi hakkında özel olan başka bir şey daha var: Şimdiye kadar sadece “klasik” versiyonunu gördük, diğer tüm kuvvetler ise kuantum teorisiyle açıklanıyor. Fiziğin amaçlarından biri uzun zamandır yerçekimini kuantum mekaniğiyle ilişkilendirmekti, ancak bu sorun hala çözülemedi. Herhangi bir yerçekimi kuantum teorisinde, belirli tek bölünemez parçacıkların oluşmasını beklerdik.

Fizikçiler bu anlaşılması zor parçacıklara graviton diyorlar. Tıpkı atomların maddenin yapı taşları olması gibi, bunları da yer çekiminin yapı taşları olarak düşünün. Gravitonlar, kütle çekim kuvvetinin etkileşim parçacıklarıdır. Bu etkileşim parçacıkları enerjinin ve momentumun iletilmesinde görev alır. Teoride, kara delik çarpışmaları gibi devasa kozmik olaylardan dolayı Dünya’dan sık sık geçen yer çekimi dalgaları, bu gravitonların çok büyük sayılarından oluşur.

LIGO gibi etkileyici büyük dedektörler artık bu tür kütle çekim dalgalarının varlığını doğrulayabiliyor. Ancak tarihte hiçbir zaman tek bir graviton tespit edilemedi; hatta bir tanesini tespit etme fikri bile uzun süre imkansız olarak düşünüldü.

Ancak bu durum değişmiş olabilir. Stockholm Üniversitesi’ne bağlı Stevens fizik profesörü Igor Pikovski, “Bu, uzun zamandır imkansız olduğu düşünülen temel bir deneydi, ancak bunu yapmanın bir yolunu bulduğumuzu düşünüyoruz” diyor. “Kuantum algılama ile tekil gravitonları tespit etme” 
konusundaki makalesi Nature Communications‘da yayımlandı.

Pikovski’nin ekibi, mevcut fiziksel algılama teknolojisini (akustik rezonatör adı verilen, temelde ağır bir silindir olan bir şey) bir araya getirmeyi ve bunu gelişmiş enerji durumu algılama yöntemleriyle (kuantum algılama olarak da bilinir) donatmayı içeren bir çözüm önerdi.

“Çözümümüz, Einstein’ı ışığın kuantum teorisine götüren fotoelektrik etkisine benziyor,” diye açıklıyor. Pikovski, “sadece elektromanyetik dalgaların yerini kütle çekim dalgaları alıyor. Anahtar nokta, enerjinin malzeme ve dalgalar arasında yalnızca ayrı adımlarla değiş tokuş edilmesidir; tekil gravitonlar emilir ve yayılır.”

Peki tekil gravitonları nasıl tespit etmeyi düşünüyorlar?

Stockholm’deki Nordic Teorik Fizik Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı olan Manikandan, “Malzemeyi soğutmamız ve ardından enerjinin tek bir adımda nasıl değiştiğini izlememiz gerekiyor ve bu, kuantum algılama yoluyla başarılabilir. Malzemedeki bu kuantum sıçramalarını gözlemleyerek, bir gravitonun emildiğini çıkarabiliriz” diyor. Stockholm Üniversitesi’nde lisansüstü öğrencisi olan Tobar. “Buna ‘gravito-fononik etki’ diyor”

Ekibin önerdiği yeniliklerden biri, yakın zamanda kütle çekim dalgalarının varlığını doğrulayan iki tesisli bir ABD gözlemevi olan LIGO’dan elde edilen verileri kullanmak. Stevens doktora öğrencisi Beitel; “LIGO gözlemevleri kütle çekim dalgalarını tespit etmede çok iyi olduklarını, fakat tekil gravitonları yakalayamadıklarını” ifade ediyor.

Ekip olası bir deney üzerinde düşünmeye başladı. 2017’de Manhattan büyüklüğündeki (ancak aşırı yoğun) iki uzak nötron yıldızının çarpışmasından gelenler gibi, daha önce Dünya’da ölçülmüş kütle çekim dalgalarından gelen verileri kullanarak, tek bir graviton için emilim olasılığını optimize edecek parametreleri hesapladılar.

“Weber çubuğuna benzer bir cihaz kullanılarak, bu ölçümün yapılabildiği ortaya çıktı,” diyor Manikandan. Weber çubukları, mucidi New Jersey yerlisi Joseph Weber’in adını taşıyan kalın, ağır (bir tona kadar) silindirik çubuklardır. Çubuklar, optik tabanlı algılama teknolojileri yaygınlaştıkça son zamanlarda kullanımdan kalktı, ancak aslında bir fizikçinin graviton avı seferi için iyi çalışırlar. Bunun nedeni, Einstein’ın ışığın en küçük yapı taşları olan fotonların “uyarılmış emisyonu ve emilimi” olarak adlandırdığı şeye doğrudan benzeyen gravitonları emebilmeleri ve yayabilmeleridir.

Yeni tasarlanmış bir kuantum dedektörü en düşük enerji seviyesine soğutulur, sonra bir kütle çekim dalgasının geçişiyle çok hafif titreşir hale getirilir. Daha sonra süper hassas enerji sensörleri teorik olarak bu titreşimlerin ayrı adımlarda nasıl değiştiğini yakalayabilir. Her ayrı değişiklik (kuantum sıçraması olarak da bilinir) tek bir graviton olayını gösterir.

Elbette, gravitonları yakalamanın bir püf noktası var. Gerekli algılama teknolojisi henüz mevcut değil.

“Son zamanlarda malzemelerde kuantum sıçramaları gözlemlendi, ancak henüz ihtiyacımız olan kitlelere ulaşmadı,” diye belirtiyor Tobar. “Ancak teknoloji çok hızlı ilerliyor ve bunu nasıl kolaylaştıracağımıza dair daha fazla fikrimiz var. Bu deneyin işe yarayacağından eminiz” diye coşkuyla söylüyor Thomas. “Artık gravitonların tespit edilebileceğini bildiğimize göre, uygun kuantum algılama teknolojisini daha da geliştirmek için ek bir motivasyon. Biraz şansla, yakında tekil gravitonları yakalamak mümkün olacak.” diye ifade ediyor.

KAYNAKLAR
https://phys.org/news/2024-08-capture-physicists-particle-gravitons.html (Fotoğraf-1 ve Kapak Foroğrafı da)
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51420-8
https://www.stevens.edu/