Semakin dekat untuk mengukur gravitasi kuantum – Dunia Fisika

Teknik pertama yang mampu mengukur tarikan gravitasi pada sebuah partikel yang berdiameter hanya mikron dapat membantu pencarian teori gravitasi kuantum – sebuah tujuan yang sudah lama ada dalam fisika. Eksperimen baru ini menggunakan perangkat interferensi kuantum superkonduktor (SQUID) untuk mendeteksi gaya pada partikel pada suhu sangat rendah dan menekan getaran yang mungkin mengganggu gerakan akibat gravitasi.

Gravitasi berbeda dari gaya fundamental lainnya karena gravitasi menggambarkan kelengkungan ruang-waktu, bukan interaksi langsung antar objek. Perbedaan ini menjelaskan, sebagian, mengapa fisikawan teoritis telah lama berjuang untuk mendamaikan gravitasi (seperti yang dijelaskan oleh teori relativitas umum Einstein) dengan mekanika kuantum. Salah satu poin utama yang menjadi kendala adalah bahwa teori ini mengasumsikan bahwa ruang-waktu adalah tetap, sedangkan teori sebelumnya menyatakan bahwa ia berubah dengan adanya benda-benda masif. Karena eksperimen untuk menentukan deskripsi mana yang benar sangat sulit dilakukan, teori gravitasi kuantum tetap berada di luar jangkauan meskipun ada banyak upaya teoritis di bidang-bidang seperti teori string dan loop gravitasi kuantum.

Pengusiran lapangan negara bagian Meissner

Dalam karya baru, yang dilaporkan dalam Kemajuan Ilmu Pengetahuan, ahli fisika Tjerk Oosterkamp of Universitas Leiden di Belanda, bersama rekan-rekan di Universitas Southampton, Inggris dan Italia Institut Fotonik dan Nanoteknologi, menyelidiki batas antara gravitasi dan mekanika kuantum dengan mempelajari tarikan gravitasi pada partikel magnetik yang massanya hanya 0.43 miligram – mendekati batas di mana efek kuantum mulai muncul. Untuk melakukan penelitiannya, mereka menjebak partikel tersebut dalam medan magnet yang dihasilkan dengan melewatkan arus melalui kabel yang menjadi superkonduktor pada suhu di bawah 100 miliklvin. Medan magnet yang dihasilkan “lanskap” menyebabkan partikel melayang berkat efek superkonduktor terkenal yang dikenal sebagai pengusiran medan keadaan Meissner di mana medan yang timbul dari arus dalam superkonduktor sepenuhnya berlawanan dengan medan magnet partikel itu sendiri.

Setelah partikel melayang, para peneliti mengukur perubahan sangat kecil pada medan magnet yang timbul ketika bergerak di sekitar pusat massanya. Mereka melakukan ini dengan menggunakan magnetometer DC SQUID terintegrasi sambil terus menyetel frekuensi potensi perangkap magnet. Hal ini memungkinkan mereka untuk mengkarakterisasi amplitudo gerakan partikel sebagai fungsi dari pergeseran frekuensi ini.

Menekan getaran

Para peneliti kemudian menciptakan gangguan gravitasi dengan memutar roda berat tepat di luar lemari es, atau cryostat, yang berisi eksperimen tersebut. Frekuensi putaran roda disetel untuk merangsang salah satu frekuensi getaran partikel melayang. Namun sebelum mereka dapat mengukur perubahan gerakan partikel akibat gangguan gravitasi ini, Oostekamp dan rekannya terlebih dahulu harus memastikan bahwa hal-hal lain yang dapat menggerakkan partikel – seperti getaran yang berasal dari kompresor dan pompa yang bertanggung jawab untuk mendinginkan superkonduktor – juga diketahui. ditekan dengan sangat baik.

“Hal ini ternyata merupakan tantangan yang paling mendesak dalam percobaan kami,” jelas Oosterkamp, ​​“tetapi setelah kami berhasil melakukan hal ini, gerakan partikel yang tersisa menjadi sangat kecil sehingga terganggu oleh gravitasi – dan kami benar-benar bisa mengukur ini.”

Mendorong batas

Oosterkamp dan rekannya awalnya bermaksud menggunakan cryostat mereka untuk mendinginkan dan merangsang resonator mekanis. “Kami melakukan ini untuk mencoba dan membuktikan bahwa ia bisa berada di dua tempat secara bersamaan – mirip dengan elektron ketika ia menunjukkan efek interferensi melewati dua celah,” jelas Oosterkamp. “Dari interferensi tersebut, dapat disimpulkan bahwa elektron adalah gelombang dan melewati kedua celah sekaligus. Untuk eksperimen kami, yang jalannya masih panjang, kami telah berupaya mengisolasi getaran untuk mendinginkan sensor gaya guna mengamati jenis efek yang sama pada resonator mekanis kecil.”

Eksperimen awal ini berjalan dengan sangat baik, kenangnya, sehingga mereka bertanya pada diri sendiri: berapakah gaya terkecil yang dapat mereka berikan pada partikel dalam pengaturannya untuk menunjukkan sensitivitas eksperimen tersebut? “Saat kami menyadari bahwa pengukuran gravitasi dapat dijangkau, kami sangat termotivasi,” kenang Oosterkamp.

Eksperimen harus lebih sensitif

Langkah selanjutnya, kata Oosterkamp, ​​adalah mendekatkan efek gravitasi dan kuantum. “Mampu mengukur gaya gravitasi dari sebuah partikel yang berada di dua tempat sekaligus merupakan hal yang sangat diinginkan, namun kita perlu membuat eksperimen kita menjadi lebih sensitif untuk melakukan hal ini dan melakukan pengukuran pada objek yang lebih berat yang menunjukkan efek kuantum – seperti superposisi dan keterikatan, misalnya,” katanya.

Untuk mencapai tujuan ini, para peneliti berupaya mengganti roda di luar cryostat mereka dengan roda atau baling-baling serupa di dalamnya. “Daripada membuat roda dengan balok berukuran kilogram dan ditempatkan 30 cm dari sensor, kami berharap dapat membuat massa miligram pada baling-baling yang hanya berjarak satu sentimeter,” kata Oosterkamp.

Tim juga berusaha mengisolasi getaran eksternal dalam eksperimen mereka lebih jauh dan membuat sistem mereka lebih dingin. “Langkah-langkah ini dapat meningkatkan sensitivitas pengukuran hingga 100 kali lipat,” kata Oosterkamp.

• 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/getting-closer-to-measuring-quantum-gravity/