Космические атомы предвещают новые испытания принципа эквивалентности Эйнштейна

Движение свободно падающих тел не зависит от их состава. Это одна из основ принципа эквивалентности Эйнштейна (EEP), который лежит в основе нашего современного понимания гравитации. Однако этот принцип находится под постоянным контролем. Любые его нарушения дадут нам подсказки в поисках темной энергии и темной материи, а также помогут нам понять черные дыры и другие системы, в которых встречаются гравитация и квантовая механика.

Ученые из США, Франции и Германии создали новую систему для тестирования ВЭП: смесь двух ультрахолодных квантовых газов, вращающуюся вокруг Земли на борту Международной космической станции (МКС). Они также продемонстрировали первый в космосе интерферометр двух видов атомов, который они называют «важным шагом» на пути к тестированию EEP. Вопрос, на который они стремятся ответить с помощью этого эксперимента, прост: падают ли два атома разной массы с одинаковой скоростью?

Холодные атомы на МКС

МКС является домом для Лаборатория холодного атома (CAL), который является «игровой площадкой» для атомов в космосе. Запущенный в 2018 году, он в 2020 году создал первый космический конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) – особое состояние материи, достигаемое после охлаждения атомов до температур чуть выше абсолютного нуля. Этот первый квантовый газ состоял из ультрахолодных атомов рубидия, но после модернизации в 2021 году в CAL также установлен микроволновый источник для получения квантовых газов из атомов калия.

В последней работе, описанной в природаУченые CAL создали на МКС квантовую смесь обоих видов. «Генерация этой квантовой смеси в космосе — важный шаг на пути к разработке высокоточных измерений для проверки принципа эквивалентности Эйнштейна», — говорит Габриэль Мюллер, аспирант Университета Лейбница в Ганновере, Германия, который участвует в эксперименте.

Чтобы получить такую ​​смесь, команда заключила атомы рубидия в магнитную ловушку и позволила наиболее энергичным «горячим» атомам испариться из ловушки, оставив «холодные» атомы позади. В конечном итоге это приводит к фазовому переходу в квантовый газ, когда температура атомов падает ниже определенной критической температуры.

Хотя этот процесс также работает для атомов калия, одновременное испарение обоих частиц в одной ловушке не является простым. Поскольку внутренняя энергетическая структура атомов рубидия и калия различна, изменяются их начальные температуры в ловушке, а также оптимальные условия ловушки и время испарения, необходимое для достижения критической температуры. В результате ученым пришлось обратиться к другому решению. «Квантовый газ калия не генерируется посредством испарительного охлаждения, а скорее охлаждается «сочувственно» посредством прямого теплового контакта с испаренным ультрахолодным газом рубидия», — объясняет Мюллер.

Генерация этого квантового газа в космосе имеет свои преимущества, добавляет он. «На Земле наблюдается гравитационное провисание, а это означает, что два атома разной массы не будут находиться в одной и той же позиции в ловушке. С другой стороны, в космосе гравитационное взаимодействие слабое, и эти два вида перекрываются». Этот аспект работы в условиях микрогравитации важен для проведения экспериментов, направленных на наблюдение за взаимодействием между двумя видами, которое в противном случае было бы захвачено эффектами гравитации на Земле.

Решающая роль квантовой инженерии состояний

Создание квантовой смеси атомов рубидия и калия приближает команду CAL к тестированию EEP, но другие элементы эксперимента еще предстоит приручить. Например, хотя эти два вида перекрываются в ловушке, когда они освобождаются из нее, их начальные положения немного различаются. Мюллер объясняет, что это отчасти связано со свойствами каждого вида атомов, приводящими к различной динамике, но это также связано с тем, что освобождение ловушки не происходит мгновенно, а это означает, что один из видов испытывает остаточную магнитную силу по отношению к другому. Такие систематические эффекты могут легко представить себя как нарушение EEP, если не принять надлежащих мер.

По этой причине ученые сосредоточили свое внимание на характеристике систематики своей ловушки и уменьшении нежелательного шума. «В Ганновере активно ведется работа по созданию хорошо спроектированных входных состояний обоих видов, что будет иметь решающее значение, поскольку вам нужны схожие начальные условия, прежде чем запустить интерферометр», — говорит Мюллер. Он добавляет, что одним из решений проблемы исходного положения может быть медленная транспортировка обоих видов в одно положение перед выключением магнитной ловушки. Хотя это можно сделать с высокой точностью, за это придется нагревать атомы и терять часть из них. Поэтому ученые надеются использовать машинное обучение для оптимизации механизма транспортировки и тем самым добиться аналогичного контроля над динамикой атомов, но гораздо быстрее.

Интерферометр атомов двух видов в космосе

Как только эти проблемы будут решены, следующим шагом станет проведение теста EEP с использованием интерферометрии атомов двух видов. Это предполагает использование световых импульсов для создания когерентной суперпозиции двух облаков ультрахолодных атомов, а затем их повторное объединение и позволение им интерферировать после определенного времени свободной эволюции. Интерференционная картина содержит ценную информацию об ускорении смеси, из которой ученые могут определить, испытали ли оба вида одинаковое гравитационное ускорение.

Ограничивающим фактором в этом методе является то, насколько хорошо перекрываются положения лазерного луча и атомного образца. «Это самая сложная часть», — подчеркивает Мюллер. Одна из проблем заключается в том, что вибрации на МКС заставляют лазерную систему вибрировать, внося в систему фазовый шум. Другая проблема заключается в том, что разная структура уровней массы и энергии атомов обоих видов заставляет их по-разному реагировать на вибрационный шум, вызывая дефазировку между двумя атомными интерферометрами.

В последней работе ученые продемонстрировали одновременную атомную интерферометрию смеси и измерили относительную фазу между интерференционной картиной атомов рубидия и калия. Однако они прекрасно понимают, что такая фаза, скорее всего, связана с источниками шума, с которыми они борются, а не с нарушением EPP.

Будущие миссии

На МКС был запущен новый научный модуль с целью увеличения числа атомов, улучшения лазерных источников и внедрения новых алгоритмов в экспериментальную последовательность. Однако по сути ученые CAL стремятся продемонстрировать точность инерциальных измерений, превосходящую нынешний уровень техники. «Такие открытия являются важными вехами на пути к будущим спутниковым миссиям, проверяющим универсальность свободного падения на беспрецедентных уровнях», — говорит представитель Ганновера. Насер Гаалул, соавтор недавней статьи.

Конденсат Бозе-Эйнштейна производится на борту Международной космической станции.

Одним из примеров, который упоминает Гаалул, является предложение STE-QUEST (Исследователь пространства-времени и космический тест по принципу квантовой эквивалентности), которое будет чувствительно к различиям в ускорении всего в 10 раз.^-17 м/с². Такая точность эквивалентна падению яблока и апельсина и измерению через одну секунду разницы в их положении с точностью до радиуса протона. Космос, как известно, сложен, но атомная интерферометрия в космосе еще сложнее.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/