Atomii transportați în spațiu anunță noi teste ale principiului de echivalență al lui Einstein – Physics World

Atomii transportați în spațiu anunță noi teste ale principiului de echivalență al lui Einstein – Physics World

Marca temporală: 8 martie 2024 4:30 AM


Fotografie cu Stația Spațială Internațională pe orbită în jurul Pământului, cu un măr în cădere și un portocaliu suprapus deasupra ei
Cădere liberă: Principiul de echivalență al lui Einstein susține că mișcarea corpurilor în cădere liberă (fie mere, portocale sau orice altceva) este independentă de compoziția lor. Laboratorul de Atomi Reci de la bordul Stației Spațiale Internaționale își propune să testeze acest principiu folosind atomi ultrareci cu mase diferite. (Cu amabilitatea: Ali Lezeik, adaptând imaginea originală de la Roskosmos/NASA)

Mișcarea corpurilor în cădere liberă este independentă de compoziția lor. Acesta este unul dintre fundamentele Principiului Echivalenței lui Einstein (EEP), care stă la baza înțelegerii noastre moderne a gravitației. Acest principiu, totuși, este supus unui control constant. Orice încălcare a acesteia ne-ar oferi indicii în căutarea energiei întunecate și a materiei întunecate, ghidând totodată înțelegerea găurilor negre și a altor sisteme în care gravitația și mecanica cuantică se întâlnesc.

Oamenii de știință din SUA, Franța și Germania au creat acum un nou sistem pentru testarea EEP: un amestec de două gaze cuantice ultrareci care orbitează Pământul la bordul Stației Spațiale Internaționale (ISS). Ei au demonstrat, de asemenea, primul interferometru atomic cu două specii din spațiu, pe care îl descriu drept un „pas important” către testarea EEP. Întrebarea la care își propun să răspundă prin acest experiment este simplă: doi atomi de mase diferite cad în același ritm?

Atomi reci pe ISS

ISS găzduiește Laboratorul cu atom rece (CAL), care este un „teren de joacă” pentru atomii din spațiu. Lansat în 2018, în 2020 a creat primul condensat Bose-Einstein (BEC) transportat în spațiu – o stare specială a materiei atinsă după răcirea atomilor la temperaturi chiar peste zero absolut. Acest prim gaz cuantic a constat din atomi de rubidiu ultrareci, dar după o actualizare în 2021, CAL găzduiește și o sursă de microunde pentru producerea de gaze cuantice din atomi de potasiu.

În cea mai recentă lucrare, care este descrisă în Natură, oamenii de știință CAL au generat un amestec cuantic al ambelor specii pe ISS. „Generarea acestui amestec cuantic în spațiu este un pas important către dezvoltarea măsurătorilor de înaltă precizie pentru testarea principiului de echivalență al lui Einstein”, spune Gabriel Müller, un doctorand la Universitatea Leibniz din Hanovra, Germania, care este implicat în experiment.

Pentru a realiza acest amestec, echipa a închis atomii de rubidiu într-o capcană magnetică și a permis celor mai energici atomi „fierbinți” să se evapore din capcană, lăsând în urmă atomii „reci”. Acest lucru duce în cele din urmă la o tranziție de fază într-un gaz cuantic odată ce atomii scad sub o anumită temperatură critică.

În timp ce acest proces funcționează și pentru atomii de potasiu, evaporarea simultană a ambelor specii în aceeași capcană nu este simplă. Deoarece structura energetică internă a atomilor de rubidiu și potasiu este diferită, temperaturile lor inițiale în capcană variază, la fel și condițiile optime ale capcanei și timpul de evaporare necesar pentru a atinge temperatura critică. Drept urmare, oamenii de știință au fost nevoiți să apeleze la o soluție diferită. „Gazul cuantic de potasiu nu este generat prin răcire evaporativă, ci mai degrabă răcit „simpatic” prin contact termic direct cu gazul rubidiu ultrarece evaporat”, explică Müller.

Generarea acestui gaz cuantic în spațiu are meritele sale, adaugă el. „Pe Pământ, există o scădere gravitațională, ceea ce înseamnă că doi atomi de mase diferite nu vor fi în aceeași poziție în capcană. În spațiu, pe de altă parte, interacțiunea gravitațională este slabă, iar cele două specii sunt suprapuse.” Acest aspect al lucrului în microgravitație este esențial pentru realizarea experimentelor care vizează observarea interacțiunilor dintre cele două specii care altfel ar fi deturnate de efectele gravitației pe Pământ.

Rolul crucial al ingineriei cuantice de stat

Producerea unui amestec cuantic de atomi de rubidiu și potasiu aduce echipa CAL cu un pas mai aproape de testarea EEP, dar alte elemente ale experimentului trebuie încă îmblânzite. De exemplu, deși cele două specii se suprapun în capcană, atunci când sunt eliberate din aceasta, pozițiile lor inițiale sunt ușor diferite. Müller explică că acest lucru se datorează parțial proprietăților fiecărei specii de atom care duc la o dinamică diferită, dar se datorează și faptului că eliberarea capcanei nu este instantanee, ceea ce înseamnă că una dintre specii experimentează o forță magnetică reziduală în raport cu cealaltă. Astfel de efecte sistematice s-ar putea prezenta cu ușurință ca o încălcare a EEP dacă nu sunt luate în considerare în mod corespunzător.

Din acest motiv, oamenii de știință și-au îndreptat atenția către caracterizarea sistematicii capcanei lor și reducerea zgomotului nedorit. „Acesta este o muncă care se desfășoară în mod activ la Hanovra, pentru a crea stări de intrare bine concepute ale ambelor specii, ceea ce va fi crucial, deoarece aveți nevoie de condiții inițiale similare înainte de a porni interferometrul”, spune Müller. O soluție la problema poziției inițiale, adaugă el, ar fi transportarea lent a ambelor specii într-o singură poziție înainte de a opri capcana magnetică. Deși acest lucru se poate face cu mare precizie, se face în detrimentul încălzirii atomilor și pierderii unora dintre ei. Prin urmare, oamenii de știință speră să folosească învățarea automată pentru a optimiza mecanismul de transport și, prin urmare, să obțină un control similar al dinamicii atomice, dar mult mai rapid.

Imagine care arată șase raze laser roșii care se încrucișează în interiorul unei camere cu un cip suspendat deasupra acesteia
Răcirea atomilor în spațiu: o schemă a Cold Atom Laboratory (CAL) al NASA care arată dispunerea fasciculelor laser și a cipului atomic. (Cu amabilitatea: NASA/JPL)

Interferometru atomic cu două specii în spațiu

Odată ce aceste probleme sunt rezolvate, următorul pas ar fi efectuarea unui test EEP utilizând interferometrie atomică cu două specii. Aceasta presupune utilizarea impulsurilor de lumină pentru a crea o suprapunere coerentă a celor doi nori de atomi ultrareci, apoi recombinarea acestora și lăsarea lor să interfereze după un anumit timp liber de evoluție. Modelul de interferență conține informații valoroase despre accelerația amestecului, din care oamenii de știință pot extrage dacă ambele specii au experimentat aceeași accelerație gravitațională.

Un factor limitativ în această tehnică este cât de bine se suprapun pozițiile fasciculului laser și proba atomică. „Aceasta este partea cea mai dificilă”, subliniază Müller. O problemă este că vibrațiile de pe ISS fac ca sistemul laser să vibreze, introducând zgomot de fază în sistem. O altă problemă este că structura diferită a nivelului de masă și energie atomică a ambelor specii le face să răspundă diferit la zgomotul vibrațional, producând o defazare între cele două interferometre atomice.

În cea mai recentă lucrare, oamenii de știință au demonstrat interferometria atomică simultană a amestecului și au măsurat o fază relativă între modelul de interferență al atomilor de rubidiu și cel de potasiu. Cu toate acestea, ei sunt foarte conștienți de faptul că o astfel de fază se datorează probabil surselor de zgomot pe care le abordează, mai degrabă decât unei încălcări a PPE.

Misiuni viitoare

Un nou modul științific a fost lansat la ISS cu scopul de a crește numărul de atom, de a îmbunătăți sursele laser și de a implementa noi algoritmi în secvența experimentală. În mod fundamental, totuși, oamenii de știință CAL se străduiesc să demonstreze măsurarea cu precizie inerțială dincolo de stadiul actual al tehnicii. „Astfel de realizare sunt etape importante către viitoarele misiuni prin satelit care testează universalitatea căderii libere la niveluri fără precedent”, spune Hannover. Naceur Gaaloul, un coautor al lucrării recente.

Un exemplu pe care îl menționează Gaaloul este propunerea STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test), care ar fi sensibilă la diferențele de accelerație de până la 10.-17 m / s2. Această precizie echivalează cu aruncarea unui măr și a unei portocale și măsurarea, după o secundă, a diferenței de poziție a acestora față de raza unui proton. Spațiul este, faimos, greu, dar interferometria atomică în spațiu este și mai grea.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii