Avaruudessa kulkevat atomit ennustavat uusia Einsteinin ekvivalenssiperiaatteen kokeita – Physics World

Vapaasti putoavien kappaleiden liike on riippumaton niiden koostumuksesta. Tämä on yksi Einsteinin ekvivalenssiperiaatteen (EEP) perusta, joka tukee nykyaikaista ymmärrystämme painovoimasta. Tämä periaate on kuitenkin jatkuvan tarkastelun alla. Kaikki sen rikkomiset antaisivat meille vihjeitä pimeän energian ja pimeän aineen etsinnässä ja ohjaavat samalla ymmärrystämme mustista aukoista ja muista järjestelmistä, joissa gravitaatio ja kvanttimekaniikka kohtaavat.

Yhdysvaltalaiset, ranskalaiset ja saksalaiset tutkijat ovat nyt luoneet uuden järjestelmän EEP:n testaamiseen: kahden ultrakylmän kvanttikaasun seoksen, joka kiertää Maata kansainvälisellä avaruusasemalla (ISS). He esittelivät myös ensimmäisen kahden lajin atomiinterferometrin avaruudessa, jota he kuvailevat "tärkeäksi askeleeksi" kohti EEP:n testaamista. Kysymys, johon he pyrkivät vastaamaan tällä kokeella, on yksinkertainen: putoavatko kaksi eri massaista atomia samalla nopeudella?

Kylmät atomit ISS:llä

ISS on koti Kylmän atomin laboratorio (CAL), joka on "leikkipaikka" atomeille avaruudessa. Vuonna 2018 lanseerattu se loi ensimmäisen avaruudessa levitettävän Bose-Einstein-kondensaatin (BEC) – erityisen aineen tilan, joka saavutettiin jäähdyttämällä atomit hieman absoluuttisen nollan yläpuolelle. Tämä ensimmäinen kvanttikaasu koostui ultrakylmistä rubidiumatomeista, mutta vuonna 2020 tehdyn päivityksen jälkeen CALissa on myös mikroaaltolähde kaliumatomien kvanttikaasujen valmistamiseksi.

Uusimmassa teoksessa, joka on kuvattu kohdassa luonto, CAL-tutkijat loivat kummankin lajin kvantiseoksen ISS:llä. "Tämän kvantiseoksen luominen avaruudessa on tärkeä askel kohti korkean tarkkuuden mittausten kehittämistä Einsteinin ekvivalenssiperiaatteen testaamiseen", sanoo Gabriel Müller, tohtoriopiskelija Leibnizin yliopistossa Hannoverissa Saksassa, joka on mukana kokeessa.

Tämän seoksen saavuttamiseksi ryhmä sulki rubidiumatomit magneettiseen ansaan ja antoi energisimpien "kuumien" atomien haihtua ulos ansasta jättäen "kylmät" atomit taakse. Tämä johtaa lopulta faasimuutokseen kvanttikaasuksi, kun atomit laskevat tietyn kriittisen lämpötilan alapuolelle.

Vaikka tämä prosessi toimii myös kaliumatomeille, molempien lajien samanaikainen haihduttaminen samassa ansassa ei ole yksinkertaista. Koska rubidium- ja kaliumatomien sisäinen energiarakenne on erilainen, niiden alkulämpötilat loukussa vaihtelevat, samoin kuin loukun optimiolosuhteet ja kriittisen lämpötilan saavuttamiseen tarvittava haihtumisaika. Seurauksena oli, että tutkijat joutuivat etsimään erilaista ratkaisua. "Kaliumkvanttikaasua ei synny haihdutusjäähdytyksellä, vaan se jäähdytetään "sympaattisesti" suoran lämpökosketuksen kautta höyrystyneen ultrakylmän rubidiumkaasun kanssa", Müller selittää.

Tämän kvanttikaasun tuottamisessa avaruudessa on puolensa, hän lisää. ”Maapallolla tapahtuu painovoiman painuminen, mikä tarkoittaa, että kaksi eri massaista atomia eivät ole samassa paikassa ansassa. Toisaalta avaruudessa gravitaatiovuorovaikutus on heikkoa ja nämä kaksi lajia ovat päällekkäisiä. Tämä mikrogravitaatiossa työskentelyn näkökohta on olennainen suoritettaessa kokeita, joiden tarkoituksena on tarkkailla näiden kahden lajin välisiä vuorovaikutuksia, jotka muuten kaappasivat painovoiman vaikutukset Maahan.

Kvanttitilatekniikan ratkaiseva rooli

Rubidium- ja kaliumatomien kvantiseoksen tuottaminen tuo CAL-tiimin askeleen lähemmäksi EEP:n testaamista, mutta muita kokeen elementtejä on vielä kesytettävä. Esimerkiksi vaikka nämä kaksi lajia menevät päällekkäin ansassa, niiden alkuasennot ovat hieman erilaiset, kun ne vapautetaan siitä. Müller selittää, että tämä johtuu osittain kunkin atomilajin ominaisuuksista, jotka johtavat erilaiseen dynamiikkaan, mutta se johtuu myös siitä, että ansan vapautuminen ei ole hetkellistä, mikä tarkoittaa, että toinen lajeista kokee magneettisen jäännösvoiman suhteessa toiseen. Tällaiset systemaattiset vaikutukset voivat helposti esiintyä EEP:n rikkomisena, jos niistä ei huolehdita asianmukaisesti.

Tästä syystä tutkijat ovat kiinnittäneet huomionsa ansansa systematiikan karakterisointiin ja ei-toivotun melun vähentämiseen. "Tätä työtä tehdään aktiivisesti Hannoverissa molempien lajien hyvin suunniteltujen syöttötilojen luomiseksi, mikä on ratkaisevan tärkeää, koska tarvitset samanlaiset alkuolosuhteet ennen interferometrin käynnistämistä", Müller sanoo. Hän lisää, että yksi ratkaisu alkuasento-ongelmaan olisi siirtää molemmat lajit hitaasti yhteen paikkaan ennen magneettisen ansan sammuttamista. Vaikka tämä voidaan tehdä erittäin tarkasti, se tapahtuu atomien kuumenemisen ja osan menettämisen kustannuksella. Siksi tutkijat toivovat voivansa käyttää koneoppimista optimoimaan kuljetusmekanismia ja saavuttamaan siten samanlaisen atomidynamiikan hallinnan, mutta paljon nopeammin.

Kahden lajin atomiinterferometri avaruudessa

Kun nämä ongelmat on ratkaistu, seuraava askel olisi suorittaa EEP-testi käyttämällä kahden lajin atomiinterferometriaa. Tämä sisältää valopulssien käyttämisen kahden ultrakylmän atomipilven koherentin superpositioon luomiseksi, niiden yhdistämisen sitten uudelleen ja niiden antamisen häiritä tietyn vapaan evoluutioajan jälkeen. Häiriökuvio sisältää arvokasta tietoa seoksen kiihtyvyydestä, josta tutkijat voivat poimia, kokivatko molemmat lajit saman painovoimakiihtyvyyden.

Rajoittava tekijä tässä tekniikassa on se, kuinka hyvin lasersäteen ja atominäytteen paikat menevät päällekkäin. "Tämä on vaikein osa", Müller korostaa. Yksi ongelma on se, että tärinä ISS:ssä saa laserjärjestelmän värähtelemään ja tuo järjestelmään vaihekohinaa. Toinen ongelma on, että molempien lajien erilainen massa- ja atomienergiatasorakenne saa ne reagoimaan eri tavalla värähtelymeluun, mikä tuottaa kahden atomiinterferometrin välisen vaiheen.

Uusimmassa työssä tutkijat osoittivat seoksen samanaikaista atomiinterferometriaa ja mittasivat rubidiumin ja kaliumatomien interferenssikuvion välisen suhteellisen vaiheen. He tietävät kuitenkin hyvin, että tällainen vaihe johtuu todennäköisesti pikemminkin melulähteistä, joita he torjuvat, eikä EPP:n rikkomisesta.

Tulevat tehtävät

ISS:ään lanseerattiin uusi tiedemoduuli, jonka tavoitteena on lisätä atomien määrää, parantaa laserlähteitä ja toteuttaa uusia algoritmeja kokeelliseen sekvenssiin. Pohjimmiltaan CAL-tutkijat pyrkivät kuitenkin osoittamaan inertiatarkkuusmittauksia nykyistä tekniikan tasoa pidemmällä. "Tällaiset oivallukset ovat tärkeitä virstanpylväitä kohti tulevia satelliittitehtäviä, jotka testaavat vapaan pudotuksen universaalisuutta ennennäkemättömälle tasolle", sanoo Hannoverin Naceur Gaaloul, tuoreen artikkelin toinen kirjoittaja.

Bose–Einstein-kondensaattia valmistetaan kansainvälisellä avaruusasemalla

Yksi Gaaloulin mainitsema esimerkki on STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test) -ehdotus, joka olisi herkkä jopa 10:n kiihtyvyyden eroille.^-17 neiti². Tämä tarkkuus vastaa omenan ja appelsiinin pudottamista ja niiden sijainnin eron mittaamista yhden sekunnin kuluttua protonin säteen sisällä. Avaruus on tunnetusti kovaa, mutta atomiinterferometria avaruudessa on vielä vaikeampaa.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/