Atom-atom yang terbawa ruang angkasa menandai ujian baru terhadap prinsip kesetaraan Einstein – Dunia Fisika

Pergerakan benda yang jatuh bebas tidak bergantung pada komposisinya. Ini adalah salah satu dasar Prinsip Kesetaraan Einstein (EEP), yang mendasari pemahaman modern kita tentang gravitasi. Namun prinsip ini terus-menerus diawasi. Pelanggaran apa pun terhadapnya akan memberi kita petunjuk dalam pencarian energi gelap dan materi gelap, sekaligus memandu pemahaman kita tentang lubang hitam dan sistem lain tempat bertemunya gravitasi dan mekanika kuantum.

Para ilmuwan dari AS, Perancis dan Jerman kini telah menciptakan sistem baru untuk menguji EEP: campuran dua gas kuantum ultradingin yang mengorbit Bumi di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS). Mereka juga mendemonstrasikan interferometer atom spesies ganda pertama di luar angkasa, yang mereka gambarkan sebagai “langkah penting” menuju pengujian EEP. Pertanyaan yang ingin mereka jawab melalui eksperimen ini sederhana saja: apakah dua atom dengan massa berbeda jatuh dengan kecepatan yang sama?

Atom dingin di ISS

ISS adalah rumah bagi Laboratorium Atom Dingin (CAL), yang merupakan “taman bermain” bagi atom-atom di luar angkasa. Diluncurkan pada tahun 2018, pada tahun 2020 ia menciptakan Kondensat Bose-Einstein (BEC) pertama yang dibawa ke luar angkasa – suatu keadaan materi khusus yang dicapai setelah mendinginkan atom hingga suhu tepat di atas nol mutlak. Gas kuantum pertama ini terdiri dari atom rubidium ultradingin, namun setelah ditingkatkan pada tahun 2021, CAL juga memiliki sumber gelombang mikro untuk membuat gas kuantum dari atom kalium.

Dalam karya terbaru, yang dijelaskan dalam Alam, para ilmuwan CAL menghasilkan campuran kuantum kedua spesies di ISS. “Menghasilkan campuran kuantum di ruang angkasa merupakan langkah penting menuju pengembangan pengukuran presisi tinggi untuk menguji prinsip kesetaraan Einstein,” kata Gabriel Muller, seorang mahasiswa PhD di Universitas Leibniz di Hannover, Jerman yang terlibat dalam eksperimen tersebut.

Untuk mencapai campuran ini, tim mengurung atom rubidium dalam perangkap magnet dan membiarkan atom “panas” yang paling energik menguap keluar dari perangkap tersebut, meninggalkan atom “dingin” di belakang. Hal ini pada akhirnya mengarah pada transisi fase menjadi gas kuantum setelah atom turun di bawah suhu kritis tertentu.

Meskipun proses ini juga berlaku untuk atom kalium, menguapkan kedua spesies secara bersamaan dalam perangkap yang sama tidaklah mudah. Karena struktur energi internal atom rubidium dan kalium berbeda, suhu awal dalam perangkap juga bervariasi, demikian pula kondisi optimum perangkap dan waktu penguapan yang diperlukan untuk mencapai suhu kritis. Akibatnya, para ilmuwan harus mencari solusi lain. “Gas kuantum kalium tidak dihasilkan melalui pendinginan evaporatif, melainkan didinginkan 'secara simpatik' melalui kontak termal langsung dengan gas rubidium ultradingin yang diuapkan,” jelas Müller.

Menghasilkan gas kuantum di luar angkasa memiliki kelebihan, tambahnya. “Di Bumi, terjadi penurunan gravitasi, artinya dua atom dengan massa berbeda tidak akan berada pada posisi yang sama dalam perangkap. Sebaliknya, di luar angkasa, interaksi gravitasi lemah dan kedua spesies saling tumpang tindih.” Aspek bekerja dalam gayaberat mikro ini penting untuk melakukan eksperimen yang bertujuan mengamati interaksi antara dua spesies yang mungkin akan dibajak oleh efek gravitasi di Bumi.

Peran penting rekayasa keadaan kuantum

Memproduksi campuran kuantum atom rubidium dan kalium membawa tim CAL selangkah lebih dekat untuk menguji EEP, namun elemen eksperimen lainnya masih perlu dijinakkan. Misalnya, meskipun kedua spesies saling tumpang tindih dalam perangkap, ketika dilepaskan, posisi awalnya sedikit berbeda. Müller menjelaskan bahwa hal ini sebagian disebabkan oleh sifat masing-masing spesies atom yang mengarah pada dinamika yang berbeda, namun juga karena pelepasan perangkap tidak terjadi secara instan, artinya salah satu spesies mengalami gaya magnet sisa relatif terhadap spesies lainnya. Dampak sistematis seperti ini dapat dengan mudah muncul sebagai pelanggaran terhadap EEP jika tidak ditangani dengan baik.

Oleh karena itu, para ilmuwan mengalihkan perhatian mereka untuk mengkarakterisasi sistematika perangkap mereka dan mengurangi kebisingan yang tidak diinginkan. “Ini adalah pekerjaan yang sedang dilakukan secara aktif di Hannover, untuk menciptakan kondisi masukan yang dirancang dengan baik untuk kedua spesies, yang akan sangat penting karena Anda memerlukan kondisi awal yang serupa sebelum memulai interferometer,” kata Müller. Salah satu solusi untuk masalah posisi awal, tambahnya, adalah dengan memindahkan kedua spesies secara perlahan ke satu posisi sebelum mematikan perangkap magnet. Meskipun hal ini dapat dilakukan dengan presisi tinggi, hal ini harus mengorbankan pemanasan atom dan kehilangan sebagian darinya. Oleh karena itu, para ilmuwan berharap untuk menggunakan pembelajaran mesin untuk mengoptimalkan mekanisme transportasi dan dengan demikian mencapai kontrol serupa terhadap dinamika atom, tetapi jauh lebih cepat.

Interferometer atom spesies ganda di luar angkasa

Setelah masalah ini teratasi, langkah selanjutnya adalah melakukan uji EEP menggunakan interferometri atom spesies ganda. Hal ini melibatkan penggunaan pulsa cahaya untuk menciptakan superposisi koheren dari dua awan atom ultradingin, kemudian menggabungkannya kembali dan membiarkannya berinterferensi setelah waktu evolusi bebas tertentu. Pola interferensi berisi informasi berharga tentang percepatan campuran, sehingga para ilmuwan dapat mengetahui apakah kedua spesies mengalami percepatan gravitasi yang sama.

Faktor pembatas dalam teknik ini adalah seberapa baik posisi sinar laser dan sampel atom saling tumpang tindih. “Ini adalah bagian yang paling rumit,” Müller menekankan. Salah satu masalahnya adalah getaran pada ISS menyebabkan sistem laser bergetar, sehingga menimbulkan gangguan fase ke dalam sistem. Masalah lainnya adalah perbedaan struktur massa dan tingkat energi atom dari kedua spesies menyebabkan mereka merespons kebisingan getaran secara berbeda, sehingga menghasilkan penurunan fase antara dua interferometer atom.

Dalam karya terbarunya, para ilmuwan mendemonstrasikan interferometri atom simultan dari campuran dan mengukur fase relatif antara pola interferensi atom rubidium dan kalium. Namun, mereka sangat menyadari bahwa fase tersebut kemungkinan besar disebabkan oleh sumber kebisingan yang mereka tangani, dan bukan karena pelanggaran terhadap EPP.

Misi masa depan

Modul sains baru diluncurkan ke ISS dengan tujuan meningkatkan jumlah atom, meningkatkan sumber laser, dan menerapkan algoritme baru dalam rangkaian eksperimen. Namun pada dasarnya, para ilmuwan CAL berusaha keras untuk menunjukkan pengukuran presisi inersia yang melampaui teknologi terkini. “Realisasi tersebut merupakan tonggak penting menuju misi satelit di masa depan yang menguji universalitas terjun bebas ke tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya,” kata Hannover's Naceur Gaaloul, salah satu penulis makalah terbaru.

Kondensat Bose–Einstein dibuat di Stasiun Luar Angkasa Internasional

Salah satu contoh yang disebutkan Gaaloul adalah proposal STE-QUEST (Space-Time Explorer dan Quantum Equivalence Principle Space Test), yang sensitif terhadap perbedaan percepatan sekecil apa pun 10^-17 m / s². Ketepatan ini setara dengan menjatuhkan apel dan jeruk dan mengukur, setelah satu detik, perbedaan posisinya hingga dalam radius proton. Ruang angkasa terkenal sulit, tetapi interferometri atom di ruang angkasa bahkan lebih sulit lagi.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/