Rumbårne atomer varsler nye test af Einsteins ækvivalensprincip – Physics World

Rumbårne atomer varsler nye test af Einsteins ækvivalensprincip – Physics World

Tidsstempel: 8. marts 2024 kl. 4:30


Foto af den internationale rumstation i kredsløb om jorden, med et faldende æble og appelsin overlejret oven på det
Frit fald: Einsteins ækvivalensprincip fastholder, at bevægelsen af ​​frit faldende kroppe (uanset om æbler, appelsiner eller andet) er uafhængig af deres sammensætning. Cold Atom Laboratory ombord på den internationale rumstation har til formål at teste dette princip ved hjælp af ultrakolde atomer med forskellige masser. (Med høflighed: Ali Lezeik, tilpasset originalbillede fra Roskosmos/NASA)

Bevægelsen af ​​frit faldende legemer er uafhængig af deres sammensætning. Dette er et af grundlaget for Einsteins ækvivalensprincip (EEP), som understøtter vores moderne forståelse af tyngdekraften. Dette princip er imidlertid under konstant kontrol. Enhver krænkelse af det ville give os hints i vores søgen efter mørk energi og mørkt stof, samtidig med at det vejlede vores forståelse af sorte huller og andre systemer, hvor tyngdekraft og kvantemekanik mødes.

Forskere fra USA, Frankrig og Tyskland har nu skabt et nyt system til at teste EEP: en blanding af to ultrakolde kvantegasser, der kredser om Jorden ombord på den internationale rumstation (ISS). De demonstrerede også det første dual-species atom interferometer i rummet, som de beskriver som et "vigtigt skridt" mod at teste EEP. Spørgsmålet, de sigter efter at besvare med dette eksperiment, er enkelt: falder to atomer med forskellig masse med samme hastighed?

Kolde atomer på ISS

ISS er hjemsted for Cold Atom Laboratory (CAL), som er en "legeplads" for atomer i rummet. Det blev lanceret i 2018 og skabte i 2020 det første rumbårne Bose-Einstein Condensate (BEC) - en speciel tilstand af stof opnået efter at have afkølet atomer til temperaturer lige over det absolutte nulpunkt. Denne første kvantegas bestod af ultrakolde rubidiumatomer, men efter en opgradering i 2021 er CAL også vært for en mikrobølgekilde til fremstilling af kvantegasser af kaliumatomer.

I det seneste værk, som er beskrevet i Natur, genererede CAL-forskerne en kvanteblanding af begge arter på ISS. "At generere denne kvanteblanding i rummet er et vigtigt skridt i retning af at udvikle højpræcisionsmålinger til at teste Einsteins ækvivalensprincip," siger Gabriel Müller, en ph.d.-studerende ved Leibniz Universitet i Hannover, Tyskland, som er involveret i eksperimentet.

For at opnå denne blanding indespærrede holdet rubidium-atomer i en magnetisk fælde og tillod de mest energiske "varme" atomer at fordampe ud af fælden og efterlod de "kolde" atomer. Dette fører til sidst til en faseovergang til en kvantegas, når atomerne falder under en vis kritisk temperatur.

Selvom denne proces også virker for kaliumatomer, er det ikke ligetil at fordampe begge arter i samme fælde samtidigt. Da rubidium- og kaliumatomernes indre energistruktur er forskellig, varierer deres begyndelsestemperaturer i fælden, og det samme vil de optimale forhold for fælden og den nødvendige fordampningstid for at nå den kritiske temperatur. Som følge heraf måtte forskerne vende sig til en anden løsning. "Kaliumkvantegassen genereres ikke via fordampningskøling, men afkøles snarere 'sympatisk' via direkte termisk kontakt med den fordampede ultrakolde rubidiumgas," forklarer Müller.

At generere denne kvantegas i rummet har sine fordele, tilføjer han. "På Jorden er der et gravitationsfald, hvilket betyder, at to atomer med forskellig masse ikke vil være på samme position i fælden. I rummet er gravitationsinteraktionen derimod svag, og de to arter overlapper hinanden.” Dette aspekt ved at arbejde i mikrotyngdekraft er afgørende for at udføre eksperimenter, der sigter på at observere interaktioner mellem de to arter, der ellers ville blive kapret af tyngdekraftens virkninger på Jorden.

Kvantestatsteknologiens afgørende rolle

At producere en kvanteblanding af rubidium- og kaliumatomer bringer CAL-teamet et skridt tættere på at teste EEP, men andre elementer i eksperimentet skal stadig tæmmes. For eksempel, selvom de to arter overlapper hinanden i fælden, når de slippes fra den, er deres oprindelige positioner lidt anderledes. Müller forklarer, at dette dels skyldes, at hver atomarts egenskaber fører til forskellig dynamik, men det skyldes også, at fældefrigivelsen ikke er øjeblikkelig, hvilket betyder, at en af ​​arterne oplever en resterende magnetisk kraft i forhold til den anden. Sådanne systematiske effekter kan let fremstå som en krænkelse af EEP, hvis de ikke tages ordentligt hånd om.

Af denne grund har forskerne vendt deres opmærksomhed mod at karakterisere systematikken i deres fælde og reducere uønsket støj. "Dette er arbejde, der aktivt udføres i Hannover, for at skabe velkonstruerede inputtilstande for begge arter, hvilket vil være afgørende, da du har brug for lignende startbetingelser, før du starter interferometeret," siger Müller. En løsning på problemet med den oprindelige position, tilføjer han, ville være langsomt at transportere begge arter til en enkelt position, før den magnetiske fælde slukkes. Selvom dette kan gøres med høj præcision, sker det på bekostning af at opvarme atomerne og miste nogle af dem. Forskerne håber derfor at kunne bruge maskinlæring til at optimere transportmekanismen og derved opnå tilsvarende kontrol af atomdynamikken, men meget hurtigere.

Billede, der viser seks røde laserstråler, der krydser inde i et kammer med en chip ophængt over sig
Kølende atomer i rummet: Et skema af NASA's Cold Atom Laboratory (CAL), der viser placeringen af ​​laserstrålerne og atomchippen. (Med høflighed: NASA/JPL)

Dual-arts atom interferometer i rummet

Når først disse problemer er løst, ville det næste trin være at udføre en EEP-test ved hjælp af dobbeltartede atominterferometri. Dette involverer at bruge lysimpulser til at skabe en sammenhængende superposition af de to ultrakolde atomskyer, derefter rekombinere dem og lade dem forstyrre efter en vis fri udviklingstid. Interferensmønsteret indeholder værdifuld information om blandingens acceleration, hvorfra forskerne kan uddrage, om begge arter oplevede den samme gravitationsacceleration.

En begrænsende faktor i denne teknik er, hvor godt positionerne af laserstrålen og atomprøven overlapper hinanden. "Dette er den mest vanskelige del," understreger Müller. Et problem er, at vibrationer på ISS får lasersystemet til at vibrere, hvilket introducerer fasestøj i systemet. Et andet problem er, at den forskellige masse- og atomenerginiveaustruktur af begge arter får dem til at reagere forskelligt på vibrationsstøjen, hvilket producerer en defasering mellem de to atominterferometre.

I det seneste arbejde demonstrerede forskerne samtidig atominterferometri af blandingen og målte en relativ fase mellem interferensmønsteret af rubidium- og kaliumatomerne. De er dog godt klar over, at en sådan fase sandsynligvis skyldes de støjkilder, de tackler, snarere end en krænkelse af EPP.

Fremtidige missioner

Et nyt videnskabeligt modul blev lanceret til ISS med det mål at øge antallet af atomer, forbedre laserkilderne og implementere nye algoritmer i den eksperimentelle sekvens. Grundlæggende stræber CAL-forskerne dog efter at demonstrere inertipræcisionsmålinger, der ligger ud over den nuværende state of the art. "Sådanne erkendelser er vigtige milepæle mod fremtidige satellitmissioner, der tester universaliteten af ​​frit fald til hidtil usete niveauer," siger Hannovers Naceur Gaaloul, en medforfatter til det nylige papir.

Et eksempel Gaaloul nævner er STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test), som ville være følsomt over for forskelle i acceleration på så lidt som 10-17 m / s2. Denne præcision svarer til at tabe et æble og en appelsin og efter et sekund måle forskellen i deres position inden for en protons radius. Rummet er, berømt, hårdt, men atominterferometri i rummet er endnu sværere.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden