Novo experimento da Universidade de Estocolmo pode detectar grávitons com ajuda do LIGO

O gráviton - uma partícula hipotética responsável por transportar a força da gravidade - continua sem ser observado há mais de um século. Ainda assim, físicos desenharam agora um arranjo experimental que, ao menos em teoria, permitiria detectar esses minúsculos objectos quânticos.

De forma análoga ao que acontece com os fotões, que actuam como portadores de força do campo electromagnético, os campos gravitacionais poderiam, em princípio, ter as suas próprias partículas transportadoras: os grávitons.

O grande entrave é que a interacção do gráviton com a matéria seria tão fraca que nunca se conseguiu medi-la - e há investigadores que defendem que isso jamais acontecerá.

Um estudo recente, coordenado pela Universidade de Estocolmo, adopta uma visão mais confiante. Os autores descrevem um experimento capaz de medir o que chamam de "efeito gravito-fonônico" e, com isso, registar grávitons individuais pela primeira vez.

O que o gráviton representa para a gravidade e para a física

Entre as quatro forças fundamentais da física, a gravidade é a mais presente no quotidiano, mas permanece, em muitos aspectos, a mais enigmática. O electromagnetismo tem o fotão; a interacção fraca é mediada pelos bosões W e Z; e a interacção forte, pelo glúon. Assim, segundo certos modelos, a gravidade deveria ter o gráviton - e, sem ele, torna-se muito mais difícil compatibilizar a gravidade com o Modelo Padrão da teoria quântica.

Como funcionaria o experimento do "efeito gravito-fonônico"

A proposta passa por arrefecer uma barra maciça de alumínio de 1.800 quilogramas (quase 4.000 libras) até uma temperatura apenas um fio acima do zero absoluto, ligá-la a sensores quânticos contínuos e esperar, com paciência, que ondas gravitacionais a atravessem.

Quando uma onda gravitacional passar, o dispositivo deverá vibrar em escalas extremamente pequenas. Os sensores, por sua vez, poderiam registar essas vibrações como uma sequência de degraus discretos entre níveis de energia.

Cada degrau - ou salto quântico - corresponderia à detecção de um único gráviton.

Verificação com o LIGO para descartar interferência

Caso surja um sinal, ele poderia ser comparado com os registos do LIGO para confirmar que a origem foi um evento de ondas gravitacionais, e não interferência de fundo.

"Os observatórios do LIGO são muito bons a detectar ondas gravitacionais, mas não conseguem capturar grávitons individuais", afirma Beitel. "Mas podemos usar os dados deles para fazer uma correlação cruzada com o nosso detector proposto e isolar grávitons individuais."

Uma ideia moderna com raízes nos cilindros de Joseph Weber

De certo modo, a proposta retoma - com ironia - algumas das experiências mais antigas da área. A partir da década de 1960, o físico Joseph Weber tentou encontrar ondas gravitacionais usando cilindros sólidos de alumínio, suspensos por fio de aço para os isolar do ruído de fundo. A lógica era simples: se ondas gravitacionais passassem, desencadeariam vibrações nos cilindros, que seriam convertidas em sinais eléctricos mensuráveis.

Com esse arranjo, Weber sustentou ter detectado ondas gravitacionais já em 1969, mas outros grupos não conseguiram reproduzir os resultados; mais tarde, os seus métodos foram desacreditados. O fenómeno só seria observado de forma inequívoca quando o LIGO as detectou em 2015.

Weber não procurava grávitons especificamente, mas uma actualização do século XXI do seu conceito pode abrir essa possibilidade. O arrefecimento criogénico, combinado com protecções contra ruído e outras fontes de vibração, mantém os átomos do alumínio o mais imóveis possível, o que torna sinais potenciais mais nítidos. Além disso, contar com um detector confirmado de ondas gravitacionais ao alcance - como o LIGO - torna a validação muito mais robusta.

Onde estariam os melhores sinais: colisões de estrelas de nêutrons

Segundo os investigadores, os candidatos mais promissores seriam ondas gravitacionais geradas por colisões entre pares de estrelas de nêutrons, dentro do intervalo de detecção do LIGO. Em cada evento, estima-se que um undecilhão de grávitons (um 1 seguido de 36 zeros) atravessaria o alumínio - mas apenas alguns poucos seriam, de facto, absorvidos.

O principal obstáculo: sensores quânticos ainda não disponíveis

Apesar de o desenho experimental ser surpreendentemente elegante, existe uma condição decisiva: os sensores quânticos sensíveis o suficiente para isso ainda não foram construídos. Mesmo assim, a equipa argumenta que, num futuro próximo, será viável desenvolvê-los.

"Estamos certos de que este experimento funcionaria", diz o físico teórico Thomas Beitel, um dos autores do estudo. "Agora que sabemos que grávitons podem ser detectados, isso dá motivação adicional para desenvolver ainda mais a tecnologia apropriada de detecção quântica. Com alguma sorte, em breve será possível capturar grávitons individuais."

"Saltos quânticos foram observados recentemente em materiais, mas ainda não nas massas de que precisamos", afirma o físico Germain Tobar, da Universidade de Estocolmo, também autor do trabalho. "Mas a tecnologia avança muito rapidamente, e temos mais ideias sobre como tornar isso mais fácil."

A pesquisa foi publicada na revista científica Comunicações da Natureza.