L’effet gravitophononique pour détecter un seul graviton dans une barre Weber

Nous ne savons pas si le graviton existe, mais Freeman Dyson (2013) a conclu qu’il serait impossible d’en détecter un seul s’il existait. Une onde gravitationnelle typique dans LIGO, avec une fréquence de 1 kHz et une amplitude h ∼ 10⁻²¹, a une densité d’énergie de 10⁻¹⁰ erg/cm³, elle contient donc 3 × 10³⁷ gravitons (la densité d’énergie d’un graviton est ℏω /(c/ω)³ = (ℏω⁴/c³), ce qui pour 1 kHz est 3 × 10⁻⁴⁷ erg/cm³). Aucune barre Weber n’a détecté d’onde gravitationnelle, malgré les progrès réalisés de 1968 à 2024. Elle est proposée dans Nature Communications qu’une barre de Weber utilisée comme capteur quantique pouvait détecter un seul graviton grâce à l’effet gravitophononique, un analogue gravitationnel de l’effet photoélectrique. Un calcul théorique simple est présenté qui suggère qu’une barre de Weber d’environ 15 kg de béryllium, refroidie à 1 mK, qui se comporte comme un résonateur quantique à une fréquence de résonance de 100 Hz et avec un facteur de qualité Q ∼ 10¹⁰, aurait pu détecter un un seul graviton lors du passage du gravitant GW170817. Le détecter dans le passage GW150914 nécessiterait une tige de ∼6 tonnes d’un alliage de cuivre-aluminium à 6 %, refroidi à 1 mK, qui est un résonateur quantique à 200 Hz avec Q ∼ 10¹⁰. Pour contextualiser ces chiffres, les résonateurs mécaniques quantiques de masse la plus élevée atteignent actuellement des microgrammes et des facteurs de qualité Q ∼ 10⁸. Par conséquent, la proposition théorique n’est qu’une boutade Pour contredire Dyson, dans un avenir très, très lointain, il sera possible de détecter un seul graviton, s’il existe.

La théorie des cordes prédit l’existence du graviton (boson de jauge de spin 2), qui n’existerait pas selon d’autres propositions, comme la gravitation quantique en boucle. Il semble évident que la détection de gravitons individuels serait une preuve de la gravitation quantique, ou du moins que la gravitation doit être quantifiée. Mais détecter un graviton frise l’impossible (Dyson a utilisé le mot pas pratique), malgré le fait que dans l’introduction du nouvel article, les auteurs affirment à la légère qu’il pourrait être détecté dans un avenir proche grâce aux expériences proposées. Celui qui semble le plus pratique utilise des gravitondes à ultra haute fréquence (au-dessus de 300 THz) dans la fusion de trous noirs primordiaux (potentiels) de masse inférieure à 10⁻¹² masses solaires (s’ils existent) ; Le tableau des résultats montre une gravitonde haute fréquence (mégahertz) produite par la fusion de trous noirs primordiaux ayant un quart de la masse de Jupiter, s’ils existaient (car ils sont exclus par les observations) ; un graviton serait observable dans une tige Weber de ∼10 grammes de quartz, refroidie à 0,6 mK, qui était un résonateur quantique à 5,5 MHz avec un facteur de qualité Q ∼ 10¹⁰. Comme c’est l’habitude dans les articles théoriques, aucune expérience réalisable dans un avenir proche n’est proposée ; un seul contre-exemple est proposé à la conjecture de Dyson sur l’impossibilité de détecter un seul graviton. Un contre-exemple physique, pas mathématique. En principe, rien ne semble interdire un jour à une barre de Weber de détecter une onde gravitationnelle simultanément à LIGO-Virgo-Kagra ; De plus, il n’est pas non plus possible de détecter un saut quantique dans la barre associée à un seul graviton.

Ce type de propositions théoriques combine un certain degré de fascination avec un haut degré de spéculation. L’article est de Germain Tobar, Sreenath K. Manikandan,…, Igor Pikovski, « Detecting single gravitons with quantum sensing », Nature Communications 15 : 7229 (22 août 2024), doi : https://doi.org/10.1038/s41467-024-51420-8, arXiv:2308.15440 [quant-ph] (29 août 2023) ; je recommande également Germain Tobar, Igor Pikovski, Michael Edmund Tobar, « Détection de gravitons kHz issus d’une fusion d’étoiles à neutrons avec une barre résonante multimode », arXiv:2406.16898 [astro-ph.IM] (28 mai 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.16898et Victoria Shenderov, …, Germain Tobar, …, Igor Pikovski, «Absorption stimulée de gravitons simples : première lumière sur la gravité quantique», arXiv:2407.11929 [gr-qc] (16 juillet 2024), deux : https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.11929. Dyson a proposé son impossibilité d’observer un seul graviton lors de plusieurs conférences depuis 2005, mais ne l’a publié dans un article qu’en 2013 dans Freeman J. Dyson, « Un graviton est-il détectable ? » Journal international de physique moderne A 28 : 1330041 (2013), doi : https://doi.org/10.1142/S0217751X1330041. Depuis lors, des centaines d’articles ont critiqué leurs estimations et proposé différentes méthodes de détection des gravitons.

Aucun détecteur à barres de Weber n’a réussi à observer une onde gravitationnelle (classique). Jusqu’à maintenant. Aucun de ces détecteurs ne fonctionne à proximité du régime quantique d’un résonateur quantique (en raison de leurs énormes masses, ils devraient être refroidis à des températures de l’ordre du nanokelvin). Mais les auteurs du nouvel article semblent l’ignorer. Les personnes intéressées peuvent consulter l’état actuel dans Odylio Denys Aguiar, « Passé, présent et futur des détecteurs d’ondes gravitationnelles à masse résonante », Recherche en astronomie et astrophysique 11 : 1, doi : https://doi.org/10.1088/1674-4527/11/1/001. Je recommande également Pia Astone, « Détecteurs de masse résonnants : état actuel », Classical and Quantum Gravity 19 : 1227, doi : https://doi.org/10.1088/0264-9381/19/7/301; qui décrit ALLEGRO (2300 kg d’Al refroidi à 4,2 K, en activité aux USA de 1991 à 2008), AURIGA (2230 kg d’Al à 0,2 K, en Italie de 1997 à 2011), EXPLORER (2270 kg d’Al à 2,6 K , au CERN, Suisse, de 1990 à 2012), NAUTILUS (2 260 kg Al à 0,13 K, en Italie de 1995 à 2016), NIOBE (1 500 kg Nb à 5 K, depuis 1993 en Australie), et MiniGRAIL ( 1 400 kg de CuAl à 65 mK, en Italie de 2001 à 2007).

Le nouvel article nous propose cette figure qui vise à illustrer les avancées de ce type de détecteurs depuis Stanford (1982) jusqu’à MiniGRAIL (puisque GRAIL est une proposition qui n’est pas devenue réalité). En apparence, les détecteurs à barres sont très proches de la détection des ondes gravitationnelles (classiques). Mais détecter des sextillions de gravitons (potentiels) n’est pas la même chose que détecter un seul graviton. Ce chiffre est interprété avec un optimisme qui ne surmonte aucun minimum de scepticisme. Naturellement, dans l’expérience hypothétique proposée dans le nouvel article, si un signal de type graviton était détecté, il serait confirmé qu’une onde gravitationnelle a traversé le détecteur grâce à son observation avec LIGO-Virgo-Kagra ; Sans cette coïncidence, ledit signal devrait être considéré comme un faux positif.

Une grande partie de mes doutes proviennent du modèle théorique utilisé pour soutenir la proposition. L’effet photoélectrique est l’émission d’un électron dans un métal due à l’incidence d’un rayonnement électromagnétique ; Par analogie, l’effet gravitophononique est l’excitation d’un phonon dans un matériau due au passage à travers celui-ci d’une onde gravitationnelle. Bien que l’analogie ne soit pas complète, puisque dans l’effet photoélectrique il n’y a pas d’absorption stimulée du photon, le modèle théorique développé décrit l’absorption stimulée d’un seul graviton. Plusieurs hypothèses sont utilisées dans le modèle. On suppose qu’une barre de Weber peut être approchée comme N atomes placés dans une rangée, où chaque atome se comporte comme un oscillateur harmonique couplé à ses atomes voisins. De plus, l’onde gravitationnelle est supposée être formée par un nombre fini de gravitons dans un état cohérent (comme si elle était produite par un « laser à graviton ») ; On prétend qu’un mélange incohérent de gravitons se comporterait comme un système cohérent proche de la résonance mécanique du résonateur quantique. Grâce à ces deux hypothèses (entre autres d’ordre technique), un modèle détaillé de l’absorption stimulée d’un seul graviton est obtenu grâce au passage de la gravitonde à travers la tige. L’article est accompagné de simulations informatiques de ce processus.

En bref, je doute sérieusement que l’expérience proposée soit pratique et évite la limite d’impraticabilité de Dyson. Pourtant, en principe, il ne semble pas impossible qu’une telle expérience puisse être réalisée à l’avenir (peut-être au siècle prochain). Une autre question est de savoir s’il sera capable ou non de détecter un seul graviton, car j’en doute sérieusement, étant donné que l’hypothèse est basée sur un modèle théorique de jouet. Comme toujours, les modèles de jouets ont l’avantage de pouvoir être inclus dans les cours universitaires destinés aux étudiants ; peut-être que l’un de ces étudiants saura proposer un modèle plus réaliste et convaincant. En attendant, j’ai encore de sérieux doutes quant à la possibilité d’observer un seul graviton.