自由落下する物体の動きは、その構成とは無関係です。これは、現代の重力理解を支えるアインシュタインの等価原理 (EEP) の基礎の 1 つです。ただし、この原則は常に精査されています。これに違反するものは、暗黒エネルギーと暗黒物質の探索にヒントを与えると同時に、重力と量子力学が交わるブラックホールやその他のシステムについての理解を導くことになるでしょう。
米国、フランス、ドイツの科学者らは現在、国際宇宙ステーション（ISS）上で地球の周回軌道を周回する2つの超低温量子ガスの混合物であるEEPをテストするための新しいシステムを開発した。彼らはまた、宇宙で初の二元原子干渉計を実証し、これはEEPのテストに向けた「重要なステップ」であると述べている。この実験で彼らが答えようとしている質問は単純です。異なる質量の 2 つの原子は同じ速度で落下するのでしょうか?
ISS の冷たい原子
ISS には コールドアトムラボ (CAL)、これは宇宙の原子の「遊び場」です。 2018 年に打ち上げられ、2020 年に宇宙で初のボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) を作成しました。これは、原子を絶対零度より少し高い温度まで冷却した後に達成される特別な物質の状態です。この最初の量子ガスは極低温のルビジウム原子で構成されていましたが、2021 年のアップグレード後、CAL にはカリウム原子の量子ガスを生成するためのマイクロ波源もホストされています。
最新の作品では、 自然、CALの科学者はISS上で両方の種の量子混合物を生成しました。 「宇宙でこの量子混合物を生成することは、アインシュタインの等価原理をテストするための高精度測定の開発に向けた重要なステップです」と述べています。 ガブリエル・ミュラー、ドイツのハノーバーにあるライプニッツ大学の博士課程の学生で、実験に参加しています。
この混合を実現するために、研究チームはルビジウム原子を磁気トラップに閉じ込め、最もエネルギーの高い「熱い」原子をトラップから蒸発させ、「冷たい」原子を残しました。これにより、原子が特定の臨界温度を下回ると、最終的に量子ガスへの相転移が起こります。
このプロセスはカリウム原子にも機能しますが、同じトラップ内で両方の種を同時に蒸発させるのは簡単ではありません。ルビジウム原子とカリウム原子の内部エネルギー構造が異なるため、トラップ内の初期温度も異なり、トラップの最適条件や臨界温度に達するまでに必要な蒸発時間も異なります。その結果、科学者たちは別の解決策に目を向けなければなりませんでした。 「カリウム量子ガスは蒸発冷却によって生成されるのではなく、蒸発した極低温のルビジウムガスとの直接の熱接触によって『共鳴』して冷却されます」とミュラー氏は説明する。
この量子ガスを宇宙で生成することには利点がある、と彼は付け加えた。 「地球上には重力のたわみがあり、質量の異なる 2 つの原子がトラップ内の同じ位置に存在しないことを意味します。一方、宇宙では重力相互作用が弱く、2つの種は重なっています。」微小重力下での作業のこの側面は、地球上の重力の影響によって乗っ取られてしまう 2 つの種間の相互作用を観察することを目的とした実験を実行するために不可欠です。
量子状態工学の重要な役割
ルビジウム原子とカリウム原子の量子混合物を生成することで、CAL チームは EEP のテストに一歩近づきましたが、実験の他の要素はまだ調整する必要があります。たとえば、2 つの種はトラップ内で重なっていますが、トラップから解放されるとき、最初の位置はわずかに異なります。ミュラー氏は、これは各原子種の特性が異なるダイナミクスを引き起こすことによる部分もあるが、トラップの解放が瞬時ではないこと、つまり、一方の原子種が他方の原子種に比べて残留磁力を受けることにも起因すると説明する。このような組織的な影響は、適切に対処しないと、容易に EEP 違反として現れる可能性があります。
このため、科学者たちはトラップの系統的な特徴を明らかにし、不要なノイズを低減することに注意を向けてきました。 「これは、両方の種の適切に設計された入力状態を作成するためにハノーバーで積極的に行われている作業です。干渉計を開始する前に同様の初期条件が必要であるため、これは非常に重要です」とミュラー氏は言います。初期位置の問題に対する 1 つの解決策は、磁気トラップをオフにする前に、両方の種を 1 つの位置にゆっくりと輸送することであると彼は付け加えました。これは高精度で行うことができますが、原子が加熱され、原子の一部が失われるという犠牲が伴います。したがって科学者らは、機械学習を使用して輸送メカニズムを最適化し、それによって原子動力学と同様の、しかもより高速な制御を達成したいと考えている。
宇宙における二種原子干渉計
これらの問題が解決されたら、次のステップは二種原子干渉法を使用して EEP テストを実行することです。これには、光パルスを使用して 2 つの超低温原子雲のコヒーレントな重ね合わせを作成し、それらを再結合して、一定の自由進化時間の後に干渉させることが含まれます。干渉パターンには混合物の加速度に関する貴重な情報が含まれており、科学者はそこから両方の種が同じ重力加速度を経験したかどうかを抽出できます。
この技術の制限要因は、レーザービームと原子サンプルの位置がどの程度重なり合うかです。 「これが最も難しい部分です」とミュラー氏は強調する。問題の 1 つは、ISS の振動によってレーザー システムが振動し、システムに位相ノイズが混入することです。もう 1 つの問題は、両方の種の質量と原子エネルギー準位の構造が異なるため、振動ノイズに対する反応が異なり、2 つの原子干渉計間に位相ずれが生じることです。
最新の研究では、科学者らは混合物の同時原子干渉法を実証し、ルビジウム原子とカリウム原子の干渉パターン間の相対位相を測定した。しかし、彼らは、そのような段階は、EPP の違反ではなく、対処しているノイズ源による可能性が高いことを十分に認識しています。
今後のミッション
原子数の増加、レーザー光源の改良、実験シーケンスでの新しいアルゴリズムの実装を目的として、新しい科学モジュールが ISS に打ち上げられました。しかし基本的に、CAL の科学者は現在の最先端技術を超えた慣性精度測定を実証しようと努めています。 「このような実現は、前例のないレベルまで自由落下の普遍性をテストする将来の衛星ミッションに向けた重要なマイルストーンである」とハノーバー研究所は述べている。 ナセル・ガルール、最近の論文の共著者。
ボース・アインシュタイン凝縮は国際宇宙ステーション内で作られます
Gaaloul 氏が言及する一例は、STE-QUEST (時空探査および量子等価原理宇宙テスト) 提案です。これは、わずか 10 の加速度の差に敏感です。-17 ミズ2。この精度は、リンゴとオレンジを落として、1 秒後に陽子の半径内でそれらの位置の差を測定するのと同等です。宇宙が難しいことは有名ですが、宇宙での原子干渉法はさらに難しいです。
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/
