자유낙하하는 물체의 움직임은 그 구성성분과 무관합니다. 이는 중력에 대한 현대의 이해를 뒷받침하는 아인슈타인의 등가 원리(EEP)의 기초 중 하나입니다. 그러나 이 원칙은 지속적으로 검토되고 있습니다. 이를 위반하면 암흑 에너지와 암흑 물질을 찾는 데 힌트를 줄 뿐만 아니라 중력과 양자 역학이 만나는 블랙홀과 기타 시스템에 대한 이해를 안내할 수도 있습니다.

미국, 프랑스, ​​독일의 과학자들은 이제 국제 우주 정거장(ISS)에서 지구 궤도를 도는 두 가지 초저온 양자 가스의 혼합물인 EEP를 테스트하기 위한 새로운 시스템을 만들었습니다. 그들은 또한 우주에서 최초의 이중 종 원자 간섭계를 시연했는데, 이는 EEP 테스트를 위한 "중요한 단계"라고 설명합니다. 그들이 이 실험을 통해 답하고자 하는 질문은 간단합니다. 질량이 다른 두 원자가 같은 속도로 떨어지는가?

ISS의 차가운 원자

ISS는 콜드 아톰 연구소 (CAL)은 우주 원자들의 '놀이터'입니다. 2018년에 발사된 이 우주선은 2020년에 최초의 우주 기반 보스-아인슈타인 응축물(Bose-Einstein Condensate, BEC)을 생성했습니다. 이는 원자를 절대 영도 바로 위의 온도로 냉각한 후 달성되는 특별한 물질 상태입니다. 이 최초의 양자 가스는 초저온 루비듐 원자로 구성되었지만 2021년 업그레이드 이후 CAL은 칼륨 원자의 양자 가스를 만들기 위한 마이크로파 소스도 호스팅합니다.

에 설명된 최신 작업에서 자연CAL 과학자들은 ISS에서 두 종의 양자 혼합물을 생성했습니다. "우주에서 이 양자 혼합물을 생성하는 것은 아인슈타인의 등가 원리를 테스트하기 위한 고정밀 측정을 개발하는 중요한 단계입니다."라고 말합니다. 가브리엘 뮐러실험에 참여한 독일 하노버 라이프니츠 대학 박사과정 학생.

이 혼합물을 얻기 위해 연구팀은 루비듐 원자를 자기 트랩에 가두어 가장 활동적인 "뜨거운" 원자가 트랩 밖으로 증발하도록 하여 "차가운" 원자를 남겨 두었습니다. 이는 원자가 특정 임계 온도 아래로 떨어지면 결국 양자 가스로의 상전이로 이어집니다.

이 과정은 칼륨 원자에도 적용되지만 동일한 트랩에서 두 종을 동시에 증발시키는 것은 간단하지 않습니다. 루비듐과 칼륨 원자의 내부 에너지 구조가 다르기 때문에 트랩의 초기 온도도 다양하고 트랩의 최적 조건과 임계 온도에 도달하는 데 필요한 증발 시간도 달라집니다. 그 결과, 과학자들은 다른 해결책을 찾아야 했습니다. “칼륨 양자 가스는 증발 냉각을 통해 생성되지 않고 증발된 초저온 루비듐 가스와의 직접적인 열 접촉을 통해 '공감적으로' 냉각됩니다."라고 Müller는 설명합니다.

우주에서 이 양자 가스를 생성하는 것은 장점이 있다고 그는 덧붙입니다. “지구에는 중력 처짐이 있는데, 이는 질량이 다른 두 원자가 함정에서 같은 위치에 있지 않음을 의미합니다. 반면 우주에서는 중력 상호작용이 약해 두 종이 겹쳐진다”고 설명했다. 미세 중력에서 작업하는 이러한 측면은 지구에 대한 중력의 영향으로 인해 납치될 두 종 사이의 상호 작용을 관찰하기 위한 실험을 수행하는 데 필수적입니다.

양자 상태 공학의 중요한 역할

루비듐과 칼륨 원자의 양자 혼합물을 생성함으로써 CAL 팀은 EEP 테스트에 한 단계 더 가까워졌지만 실험의 다른 요소는 여전히 길들여져야 합니다. 예를 들어, 트랩 내에서 두 종이 겹치더라도 풀려날 때 초기 위치가 약간 다릅니다. Müller는 이것이 부분적으로 서로 다른 역학으로 이어지는 각 원자 종의 특성에 기인하지만 트랩 방출이 순간적이지 않기 때문에 발생한다고 설명합니다. 즉, 종 중 하나가 다른 종에 대해 잔류 자기력을 경험한다는 의미입니다. 이러한 체계적 영향은 적절하게 처리되지 않으면 쉽게 EEP 위반으로 나타날 수 있습니다.

이러한 이유로 과학자들은 트랩의 체계를 특성화하고 원치 않는 소음을 줄이는 데 관심을 돌렸습니다. Müller는 "이것은 두 종의 잘 설계된 입력 상태를 생성하기 위해 하노버에서 적극적으로 수행되고 있는 작업입니다. 간섭계를 시작하기 전에 유사한 초기 조건이 필요하기 때문에 이는 매우 중요합니다."라고 말했습니다. 초기 위치 문제에 대한 한 가지 해결책은 자기 트랩을 끄기 전에 두 종을 단일 위치로 천천히 이동시키는 것이라고 그는 덧붙였습니다. 이는 매우 정밀하게 수행될 수 있지만 원자를 가열하고 일부를 잃는 대가를 치르게 됩니다. 따라서 과학자들은 기계 학습을 사용하여 전송 메커니즘을 최적화하고 이를 통해 원자 역학에 대한 유사한 제어를 훨씬 더 빠르게 달성하기를 희망합니다.

우주의 이중종 원자 간섭계

이러한 문제가 해결되면 다음 단계는 이중종 원자 간섭계를 사용하여 EEP 테스트를 수행하는 것입니다. 여기에는 광 펄스를 사용하여 두 초저온 원자 구름의 일관된 중첩을 생성한 다음 이를 재결합하고 특정 자유 진화 시간 후에 간섭하도록 하는 것이 포함됩니다. 간섭 패턴에는 혼합물의 가속도에 대한 귀중한 정보가 포함되어 있으며, 이를 통해 과학자들은 두 종 모두 동일한 중력 가속도를 경험했는지 여부를 추출할 수 있습니다.

이 기술의 제한 요소는 레이저 빔과 원자 샘플의 위치가 얼마나 잘 겹치는가입니다. Müller는 “이것이 가장 까다로운 부분입니다.”라고 강조합니다. 한 가지 문제는 ISS의 진동으로 인해 레이저 시스템이 진동하여 시스템에 위상 잡음이 유입된다는 것입니다. 또 다른 문제는 두 종의 서로 다른 질량 및 원자 에너지 수준 구조로 인해 진동 소음에 다르게 반응하여 두 원자 간섭계 사이에 디페이징이 발생한다는 것입니다.

최근 연구에서 과학자들은 혼합물의 동시 원자 간섭계를 시연하고 루비듐과 칼륨 원자의 간섭 패턴 사이의 상대 위상을 측정했습니다. 그러나 그들은 그러한 위상이 EPP 위반보다는 그들이 다루고 있는 소음원으로 인한 것일 가능성이 높다는 것을 잘 알고 있습니다.

미래의 임무

원자 수를 늘리고 레이저 소스를 개선하며 실험 순서에서 새로운 알고리즘을 구현하는 것을 목표로 새로운 과학 모듈이 ISS에 출시되었습니다. 그러나 근본적으로 CAL 과학자들은 현재의 기술 수준을 넘어서는 관성 정밀 측정을 보여주기 위해 노력하고 있습니다. "이러한 실현은 자유 낙하의 보편성을 전례 없는 수준으로 테스트하는 미래의 위성 임무에 대한 중요한 이정표입니다."라고 Hannover는 말했습니다. 나세르 갈룰, 최근 논문의 공동 저자.

Gaaloul이 언급한 한 가지 예는 STE-QUEST(Space-Time Explorer 및 양자 등가 원리 우주 테스트) 제안으로, 이는 10만큼 작은 가속도 차이에도 민감합니다.^{- 17} M / S². 이 정밀도는 사과와 오렌지를 떨어뜨린 후 1초 후에 양성자 반경 내에서의 위치 차이를 측정하는 것과 같습니다. 우주는 어려운 것으로 유명하지만 우주에서의 원자 간섭계는 훨씬 더 어렵습니다.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/