De beweging van vrij vallende lichamen is onafhankelijk van hun samenstelling. Dit is een van de fundamenten van Einsteins Equivalence Principle (EEP), dat ten grondslag ligt aan ons moderne begrip van de zwaartekracht. Dit principe staat echter voortdurend onder de loep. Elke schending ervan zou ons aanwijzingen geven in onze zoektocht naar donkere energie en donkere materie, en tegelijkertijd ons begrip van zwarte gaten en andere systemen waar zwaartekracht en kwantummechanica samenkomen, sturen.

Wetenschappers uit de VS, Frankrijk en Duitsland hebben nu een nieuw systeem ontwikkeld voor het testen van het EEP: een mengsel van twee ultrakoude kwantumgassen die aan boord van het Internationale Ruimtestation (ISS) rond de aarde draaien. Ze demonstreerden ook de eerste atoominterferometer met twee soorten in de ruimte, die ze omschrijven als een “belangrijke stap” in de richting van het testen van het EEP. De vraag die ze met dit experiment willen beantwoorden is simpel: vallen twee atomen met verschillende massa's met dezelfde snelheid?

Koude atomen in het ISS

Het ISS is de thuisbasis van de Koud atoomlaboratorium (CAL), een ‘speeltuin’ voor atomen in de ruimte. Het werd gelanceerd in 2018 en creëerde in 2020 het eerste Bose-Einstein-condensaat (BEC) in de ruimte – een speciale toestand van materie die wordt bereikt na het afkoelen van atomen tot temperaturen net boven het absolute nulpunt. Dit eerste kwantumgas bestond uit ultrakoude rubidiumatomen, maar na een upgrade in 2021 herbergt de CAL ook een microgolfbron voor het maken van kwantumgassen van kaliumatomen.

In het laatste werk, dat wordt beschreven in NATUURgenereerden de CAL-wetenschappers een kwantummengsel van beide soorten op het ISS. “Het genereren van dit kwantummengsel in de ruimte is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van zeer nauwkeurige metingen voor het testen van Einsteins gelijkwaardigheidsprincipe”, zegt Gabriël Müller, een promovendus aan de Leibniz Universiteit in Hannover, Duitsland die betrokken is bij het experiment.

Om dit mengsel te bereiken, sloot het team rubidiumatomen op in een magnetische val en liet de meest energetische ‘hete’ atomen uit de val verdampen, waardoor de ‘koude’ atomen achterbleven. Dit leidt uiteindelijk tot een faseovergang naar een kwantumgas zodra de atomen onder een bepaalde kritische temperatuur komen.

Hoewel dit proces ook werkt voor kaliumatomen, is het gelijktijdig verdampen van beide soorten in dezelfde val niet eenvoudig. Omdat de interne energiestructuur van rubidium- en kaliumatomen verschillend is, variëren hun begintemperaturen in de val, evenals de optimale omstandigheden van de val en de verdampingstijd die nodig is om de kritische temperatuur te bereiken. Als gevolg hiervan moesten de wetenschappers zich tot een andere oplossing wenden. “Het kaliumkwantumgas wordt niet gegenereerd via verdampingskoeling, maar eerder ‘sympathisch’ gekoeld via direct thermisch contact met het verdampte ultrakoude rubidiumgas”, legt Müller uit.

Het genereren van dit kwantumgas in de ruimte heeft zijn voordelen, voegt hij eraan toe. “Op aarde is er sprake van een zwaartekrachtsdaling, wat betekent dat twee atomen met verschillende massa’s zich niet op dezelfde positie in de val zullen bevinden. In de ruimte daarentegen is de zwaartekrachtinteractie zwak en overlappen de twee soorten elkaar.” Dit aspect van het werken in microzwaartekracht is essentieel voor het uitvoeren van experimenten gericht op het observeren van interacties tussen de twee soorten die anders zouden worden gekaapt door de effecten van de zwaartekracht op aarde.

De cruciale rol van quantum state engineering

Het produceren van een kwantummengsel van rubidium- en kaliumatomen brengt het CAL-team een ​​stap dichter bij het testen van het EEP, maar andere elementen van het experiment moeten nog worden getemd. Hoewel de twee soorten elkaar in de val overlappen, zijn hun beginposities bijvoorbeeld enigszins verschillend wanneer ze eruit worden vrijgelaten. Müller legt uit dat dit deels te wijten is aan de eigenschappen van elke atoomsoort die tot een verschillende dynamiek leiden, maar ook aan het feit dat het vrijkomen van de val niet onmiddellijk plaatsvindt, wat betekent dat een van de soorten een resterende magnetische kracht ervaart ten opzichte van de andere. Dergelijke systematische effecten kunnen zich gemakkelijk voordoen als een schending van het EEP als er niet op de juiste manier mee wordt omgegaan.

Om deze reden hebben de wetenschappers hun aandacht gericht op het karakteriseren van de systematiek van hun val en het verminderen van ongewenst geluid. “Dit is werk dat actief wordt gedaan in Hannover, om goed ontworpen inputtoestanden van beide soorten te creëren, wat van cruciaal belang zal zijn omdat je vergelijkbare initiële omstandigheden nodig hebt voordat je de interferometer start”, zegt Müller. Eén oplossing voor het initiële positieprobleem, voegt hij eraan toe, zou zijn om beide soorten langzaam naar een enkele positie te transporteren voordat de magnetische val wordt uitgeschakeld. Hoewel dit met hoge precisie kan worden gedaan, gaat dit ten koste van het opwarmen van de atomen en het verlies van een aantal ervan. De wetenschappers hopen daarom machinaal leren te gebruiken om het transportmechanisme te optimaliseren en daarmee een vergelijkbare controle over de atomaire dynamiek te bereiken, maar dan veel sneller.

Atoominterferometer met twee soorten in de ruimte

Zodra deze problemen zijn opgelost, zou de volgende stap het uitvoeren van een EEP-test zijn met behulp van atoominterferometrie met dubbele soorten. Dit omvat het gebruik van lichtpulsen om een ​​coherente superpositie van de twee ultrakoude atoomwolken te creëren, deze vervolgens opnieuw te combineren en ze na een bepaalde vrije evolutietijd te laten interfereren. Het interferentiepatroon bevat waardevolle informatie over de versnelling van het mengsel, waaruit de wetenschappers kunnen afleiden of beide soorten dezelfde zwaartekrachtversnelling hebben ervaren.

Een beperkende factor bij deze techniek is hoe goed de posities van de laserstraal en het atomaire monster elkaar overlappen. “Dit is het lastigste deel”, benadrukt Müller. Eén probleem is dat trillingen in het ISS ervoor zorgen dat het lasersysteem gaat trillen, waardoor faseruis in het systeem ontstaat. Een ander probleem is dat de verschillende massa- en atomaire energieniveaustructuur van beide soorten ertoe leidt dat ze anders reageren op het trillingsgeluid, waardoor een defasering tussen de twee atoominterferometers ontstaat.

In het laatste werk demonstreerden de wetenschappers gelijktijdige atoominterferometrie van het mengsel en maten ze een relatieve fase tussen het interferentiepatroon van het rubidium en de kaliumatomen. Ze zijn zich er echter terdege van bewust dat een dergelijke fase waarschijnlijk te wijten is aan de geluidsbronnen die ze aanpakken, en niet zozeer aan een schending van de EPP.

Toekomstige missies

Er werd een nieuwe wetenschappelijke module naar het ISS gelanceerd met als doel het atoomaantal te vergroten, de laserbronnen te verbeteren en nieuwe algoritmen in de experimentele reeks te implementeren. Fundamenteel streven de CAL-wetenschappers er echter naar om traagheidsprecisiemetingen aan te tonen die verder gaan dan de huidige stand van de techniek. “Dergelijke realisaties zijn belangrijke mijlpalen in de richting van toekomstige satellietmissies die de universaliteit van de vrije val op ongekende niveaus testen”, zegt Hannover's Naceur Gaaloul, een co-auteur van het recente artikel.

Een voorbeeld dat Gaaloul noemt is het STE-QUEST-voorstel (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test), dat gevoelig zou zijn voor verschillen in versnelling van slechts 10^-17 Mevrouw². Deze precisie komt overeen met het laten vallen van een appel en een sinaasappel en het meten, na één seconde, van het verschil in hun positie tot binnen de straal van een proton. De ruimte is, zoals bekend, moeilijk, maar atoominterferometrie in de ruimte is nog moeilijker.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/