Az űrben szállított atomok új teszteket hirdetnek Einstein ekvivalencia elvével kapcsolatban – Fizika világ

Az űrben szállított atomok új teszteket hirdetnek Einstein ekvivalencia elvével kapcsolatban – Fizika világ

Időbélyeg: 8. március 2024. 4:30


Fénykép a Nemzetközi Űrállomásról a Föld körül keringő pályán, a tetejére egy hulló almával és narancssárgával
Szabadesés: Einstein ekvivalencia elve szerint a szabadon eső testek mozgása (legyen az alma, narancs vagy bármi más) független az összetételüktől. A Nemzetközi Űrállomás fedélzetén működő Cold Atom Laboratory ezt az elvet kívánja tesztelni különböző tömegű ultrahideg atomok segítségével. (Jó: Ali Lezeik, a Roskosmos/NASA eredeti képének adaptációja)

A szabadon eső testek mozgása független összetételüktől. Ez az egyik alapja az Einstein-féle ekvivalencia-elvnek (EEP), amely a gravitáció modern megértését támasztja alá. Ezt az elvet azonban folyamatosan vizsgálják. Bármilyen megsértése támpontot adna számunkra a sötét energia és a sötét anyag keresésében, miközben a fekete lyukak és más rendszerek megértését is segíti, ahol a gravitáció és a kvantummechanika találkozik.

Az amerikai, francia és német tudósok most új rendszert hoztak létre az EEP tesztelésére: két ultrahideg kvantumgáz keverékét, amely a Nemzetközi Űrállomás (ISS) fedélzetén kering a Föld körül. Bemutatták az első kettős atominterferométert is az űrben, amelyet az EEP tesztelése felé tett „fontos lépésnek” neveznek. A kérdés, amit ezzel a kísérlettel kívánnak megválaszolni, egyszerű: vajon két különböző tömegű atom azonos sebességgel esik?

Hideg atomok az ISS-en

Az ISS ad otthont a Hideg atom laboratórium (CAL), amely az űrbeli atomok „játszótere”. A 2018-ban piacra dobott, 2020-ban pedig létrehozta az első űrben szállított Bose-Einstein kondenzátumot (BEC) – egy különleges halmazállapotot, amelyet az atomok abszolút nulla feletti hőmérsékletre való hűtése után lehet elérni. Ez az első kvantumgáz ultrahideg rubídium atomokból állt, de a 2021-es fejlesztést követően a CAL mikrohullámú forrást is tartalmaz a káliumatomok kvantumgázainak előállítására.

A legfrissebb munkában, amely leírása a Természet, a CAL tudósai mindkét faj kvantumkeverékét hozták létre az ISS-en. "Ennek a kvantumkeveréknek az űrben történő előállítása fontos lépés az Einstein-féle ekvivalencia-elv tesztelésére szolgáló nagy pontosságú mérések kifejlesztése felé" - mondja Gabriel Müller, a németországi Hannoveri Leibniz Egyetem PhD hallgatója, aki részt vesz a kísérletben.

Ennek a keveréknek az elérése érdekében a csapat a rubídium atomokat mágneses csapdába zárta, és hagyta, hogy a legenergiásabb "forró" atomok elpárologjanak a csapdából, így a "hideg" atomokat hátrahagyva. Ez végül fázisátmenethez vezet kvantumgázzá, amikor az atomok egy bizonyos kritikus hőmérséklet alá süllyednek.

Bár ez a folyamat a káliumatomoknál is működik, mindkét faj egyidejű elpárologtatása ugyanabban a csapdában nem egyszerű. Mivel a rubídium és a kálium atomok belső energiaszerkezete eltérő, a kezdeti hőmérsékletük a csapdában eltérő, így a csapda optimális körülményei és a kritikus hőmérséklet eléréséhez szükséges párolgási idő is változik. Ennek eredményeként a tudósoknak más megoldáshoz kellett fordulniuk. „A kálium-kvantumgáz nem párolgásos hűtéssel keletkezik, hanem „szimpatikusan” lehűtik az elpárolgott ultrahideg rubídium gázzal való közvetlen hőkontaktus révén” – magyarázza Müller.

Ennek a kvantumgáznak az űrben történő előállításának megvannak a maga előnyei – teszi hozzá. „A Földön van egy gravitációs megereszkedés, ami azt jelenti, hogy két különböző tömegű atom nem lesz ugyanabban a helyzetben a csapdában. Az űrben viszont gyenge a gravitációs kölcsönhatás, és a két faj átfedi egymást. A mikrogravitációs munka ezen aspektusa elengedhetetlen a két faj közötti kölcsönhatások megfigyelésére irányuló kísérletek elvégzéséhez, amelyeket egyébként eltérítene a gravitáció hatása a Földön.

A kvantumállapot-mérnökség döntő szerepe

A rubídium és kálium atomok kvantumkeverékének előállítása egy lépéssel közelebb viszi a CAL-csapatot az EEP teszteléséhez, de a kísérlet más elemeit még meg kell szelídíteni. Például, bár a két faj átfedi egymást a csapdában, amikor kiengedik őket, kezdeti helyzetük kissé eltér. Müller kifejti, hogy ez részben az egyes atomfajok eltérő dinamikát eredményező tulajdonságainak köszönhető, de az is, hogy a csapda felszabadulása nem azonnali, vagyis az egyik faj a másikhoz képest maradék mágneses erőt tapasztal. Az ilyen szisztematikus hatások könnyen az EEP megsértésének tűnhetnek, ha nem kezelik őket megfelelően.

Emiatt a tudósok figyelmüket csapdáik szisztematikájának jellemzésére és a nem kívánt zaj csökkentésére fordították. „Ezt a munkát Hannoverben aktívan végezzük, hogy mindkét faj jól megtervezett bemeneti állapotát hozzuk létre, ami kulcsfontosságú lesz, mivel hasonló kezdeti feltételekre van szükség az interferométer elindítása előtt” – mondja Müller. Hozzáteszi, hogy a kezdeti helyzetprobléma egyik megoldása az lenne, ha mindkét fajt lassan egyetlen pozícióba szállítanák, mielőtt kikapcsolnák a mágneses csapdát. Bár ez nagy pontossággal megtehető, az atomok felmelegedésének és egy részük elvesztésének rovására megy. A tudósok ezért azt remélik, hogy a gépi tanulás segítségével optimalizálhatják a szállítási mechanizmust, és ezáltal hasonló módon, de sokkal gyorsabban szabályozhatják az atomi dinamikát.

A képen hat vörös lézersugár keresztezi egymást egy kamrában, felette egy chip van felfüggesztve
Atomok hűtése az űrben: A NASA Cold Atom Laboratory (CAL) vázlata, amely bemutatja a lézersugarak és az atomchip elrendezését. (Jóvolt: NASA/JPL)

Kettős fajú atom interferométer az űrben

Amint ezek a problémák megoldódnak, a következő lépés egy EEP-teszt elvégzése lenne, kettős fajú atominterferometriával. Ez azt jelenti, hogy fényimpulzusokat használnak a két ultrahideg atomfelhő koherens szuperpozíciójának létrehozására, majd ezek újrakombinálását, és egy bizonyos szabad evolúciós idő elteltével hagyják, hogy interferáljanak. Az interferenciamintázat értékes információkat tartalmaz a keverék gyorsulásáról, amelyből a tudósok ki tudják vonni, hogy mindkét faj ugyanazt a gravitációs gyorsulást tapasztalta-e.

Ebben a technikában korlátozó tényező az, hogy a lézersugár és az atomminta helyzete mennyire fedi egymást. „Ez a legtrükkösebb rész” – hangsúlyozza Müller. Az egyik probléma az, hogy az ISS-en lévő rezgések hatására a lézerrendszer rezeg, ami fáziszajt visz be a rendszerbe. Egy másik probléma, hogy a két faj eltérő tömeg- és atomienergia-szintű szerkezete arra készteti őket, hogy eltérően reagáljanak a rezgészajra, ami a két atominterferométer közötti fáziseltolást idézi elő.

A legújabb munkában a tudósok demonstrálták a keverék egyidejű atominterferometriáját, és relatív fázist mértek a rubídium és a káliumatomok interferenciamintázata között. Jól tudják azonban, hogy egy ilyen szakasz valószínűleg az általuk kezelt zajforrásoknak köszönhető, nem pedig az EPP megsértésének.

Jövőbeli küldetések

Új tudományos modult indítottak az ISS-ben, melynek célja az atomszám növelése, a lézerforrások fejlesztése és új algoritmusok bevezetése a kísérleti sorozatba. Alapvetően azonban a CAL tudósai arra törekszenek, hogy a technika jelenlegi állását meghaladó inerciális precíziós mérést demonstráljanak. "Az ilyen felismerések fontos mérföldköveket jelentenek a jövőbeli műholdas küldetések felé, amelyek a szabadesés egyetemességét példátlan szintre tesztelik" - mondja a Hannover's Naceur Gaaloul, a legutóbbi cikk társszerzője.

Az egyik példa, amelyet Gaaloul említ, a STE-QUEST (Space-Time Explorer és kvantumekvivalencia-elv térteszt) javaslata, amely érzékeny lenne akár 10-es gyorsulási különbségekre is.-17 m / s2. Ez a pontosság megegyezik egy alma és egy narancs leejtésével, és egy másodperc elteltével a proton sugarán belüli helyzetük különbségének mérésével. A tér, köztudottan nehéz, de az atominterferometria a térben még nehezebb.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa