Der Quantensprung der UC Berkeley in der Dunkle-Energie-Forschung

Das Experiment fängt Atome im freien Fall ein, um nach Gravitationsanomalien zu suchen, die durch fehlende Energie im Universum verursacht werden.

Forschern der University of California in Berkeley ist es gelungen, die Genauigkeit von Schwerkraftexperimenten mithilfe von … zu verbessern. Mais Die Kombination eines Interferometers mit einem optischen Gitter würde die Zeit, die Atome im freien Fall verbleiben können, erheblich verlängern. Obwohl bisher keine Abweichungen von der Newtonschen Schwerkraft gefunden wurden, könnten diese Entwicklungen neue Quantenaspekte der Schwerkraft offenbaren und Theorien über exotische Teilchen wie Chamäleons oder Enantiomere testen.

Vor 26 Jahren entdeckten Physiker die Dunkle Energie – eine mysteriöse Kraft, die das Universum immer schneller auseinandertreibt. Seitdem suchen Wissenschaftler nach einem seltsamen neuen Teilchen, das die Expansion verursacht.

Die Grenzen dieser Forschung erweiternd, Universität von Kalifornien, Berkeley Physiker haben nun das bisher präziseste Experiment durchgeführt, um nach kleinen Abweichungen von der anerkannten Gravitationstheorie zu suchen, die ein Beweis für die Existenz eines solchen Teilchens sein könnten, das Theoretiker als Chamäleon oder Homolog bezeichnet haben.

Das Experiment, das ein Atominterferometer für präzise Schwerkraftmessungen mit einem optischen Gitter kombiniert, um Atome an Ort und Stelle zu halten, ermöglichte es den Forschern, frei fallende Atome für Sekunden statt für Millisekunden zu stabilisieren, um nach Gravitationseffekten zu suchen, und übertraf damit die derzeit präzisere Messung um einen Faktor von fünf.

Lila Licht eines Infrarotlasers beleuchtet den im Experiment verwendeten optischen Tisch. Mithilfe eines Lasers werden die Quantenzustände von Cäsiumatomen in einer Vakuumkammer präzise gesteuert. Bildnachweis: Holger-Müller-Labor

Erforschung der Quantennatur der Schwerkraft

Obwohl die Forscher keine Abweichung von dem fanden, was Isaac Newtons Theorie vor 400 Jahren vorhergesagt hatte, könnten die erwarteten Verbesserungen der Präzision des Experiments letztendlich zu Beweisen führen, die hypothetische Chamäleon-vermittelte Theorien oder Homologe der fünften Kraft stützen oder widerlegen. .

Die Fähigkeit des Gitter-Atominterferometers, Atome bis zu 70 Sekunden – und vielleicht zehnmal länger – festzuhalten, eröffnet auch die Möglichkeit, die Schwerkraft auf Quantenebene zu untersuchen, sagte Holger Müller, Professor für Physik an der University of California in Berkeley. Während Physiker über bewährte Theorien verfügen, die die Quantennatur von drei der vier Naturkräfte – Elektromagnetismus sowie die starken und schwachen Kräfte – beschreiben, wurde die Quantennatur der Schwerkraft nie bewiesen.

„Die meisten Theoretiker sind sich einig, dass die Schwerkraft Quanten ist“, sagt Müller. „Aber niemand hat jemals experimentelle Beweise dafür gesehen. Es ist sehr schwierig zu wissen, ob es sich bei der Schwerkraft überhaupt um Quanten handelt, aber ob wir unsere Atome 20 oder 30 Mal länger halten könnten.“ „Da unsere Empfindlichkeit nun auf die zweite oder vierte Potenz der Konvektionszeit ansteigt, haben wir möglicherweise eine 400.000 bis 800.000 Mal höhere Chance, experimentelle Beweise dafür zu finden, dass die Schwerkraft tatsächlich quantenmechanisch ist.“

Das optische Gitter fängt Gruppen von Atomen (blaue Scheiben) in einer regelmäßigen Anordnung ein, sodass sie mehr als eine Minute lang in einem Gitteratominterferometer untersucht werden können. Einzelne Atome (blaue Punkte) werden in einer quantenräumlichen Überlagerung, also in zwei Schichten des Netzwerks gleichzeitig, platziert, wie die langen gelben Balken zeigen. Urheberrecht: Sarah Davis

Anwendungen und zukünftige Richtungen in der Quantensensorik

Zu den weiteren Anwendungen von Gitteratominterferometern gehört neben präzisen Messungen der Schwerkraft auch die Quantensensorik.

„Atominterferometrie reagiert besonders empfindlich auf Schwerkraft- oder Trägheitseffekte. Sie können Gyroskope und Beschleunigungsmesser bauen“, sagte Christian Banda, Postdoktorand an der University of California in Berkeley, der der erste Autor eines Artikels über Schwerkraftmessungen ist, der veröffentlicht werden soll diese Woche im Journal. Natur „Aber dies eröffnet eine neue Richtung auf dem Gebiet der Atominterferometrie, wo Quantenmessungen von Schwerkraft, Beschleunigung und Rotation mithilfe von Atomen durchgeführt werden können, die in optischen Gittern in einem kompakten Paket eingeschlossen sind, das gegenüber Umweltdefekten oder Rauschen resistent ist.“

Da das optische Gitter die Atome starr an Ort und Stelle hält, kann das Gitter-Atominterferometer auf See eingesetzt werden, wo empfindliche Schwerkraftmessungen zur Kartierung der Geologie des Meeresbodens eingesetzt werden.

Einblicke in dunkle Energie und Chamäleonpartikel

Dunkle Energie wurde 1998 von zwei Wissenschaftlerteams entdeckt: einer Gruppe von Physikern am Lawrence Berkeley National Laboratory unter der Leitung von Saul Perlmutter, heute Professor für Physik an der University of California in Berkeley, und einer Gruppe von Astronomen, darunter Adam Ries, a Postdoktorand an der University of California, Berkeley. Die beiden teilten Nobelpreis für Physik 2011 Zum Entdecken.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich das Universum zu schnell ausdehnt, indem sie entfernte Supernovae verfolgten und sie zur Messung kosmischer Entfernungen nutzten. Trotz vieler Spekulationen von Theoretikern darüber, was den Weltraum auseinandertreibt, bleibt dunkle Energie ein Rätsel – ein großes Rätsel, denn etwa 70 Prozent der Materie und Energie im gesamten Universum liegen in Form von dunkler Energie vor.

Auf diesem Bild sind Cluster aus etwa 10.000 Cäsiumatomen zu sehen, die in einer Vakuumkammer schweben und durch sich kreuzende Laserstrahlen schweben, die ein stabiles optisches Gitter erzeugen. Oben ist ein zylindrisches Wolframgewicht und seine Halterung zu sehen. Bildnachweis: Christian Banda, UC Berkeley

Eine Theorie besagt, dass dunkle Energie nur die Vakuumenergie des Weltraums ist. Eine andere Theorie besagt, dass es sich um ein Energiefeld namens Essenz handelt, das sich über Zeit und Raum verändert.

Ein weiterer Vorschlag besagt, dass dunkle Energie eine fünfte Kraft ist, die viel schwächer als die Schwerkraft ist und durch Teilchen vermittelt wird, die eine abstoßende Kraft ausüben, die sich je nach Dichte der sie umgebenden Materie ändert. Im Vakuum, das den Weltraum umgibt, üben sie über weite Distanzen eine abstoßende Kraft aus, die den Raum auseinanderdrücken kann. In einem Labor auf der Erde, wo Materie es von allen Seiten umgibt, um es zu schützen, wäre die Reichweite des Teilchens sehr gering.

Dieses Teilchen wurde als Chamäleon bezeichnet, als ob es sich vor aller Augen verstecken würde.

Entwicklungen in den Techniken der Atominterferometrie

Im Jahr 2015 modifizierte Mueller ein Atominterferometer, um mithilfe von Cäsiumatomen, die in eine Vakuumkammer geschossen wurden, die das Vakuum des Weltraums simuliert, nach Beweisen für die Existenz eines Chamäleons zu suchen. Über einen Zeitraum von 10 bis 20 Millisekunden bewegten sich die Atome auf einer schweren Aluminiumkugel auf und ab, und er und sein Team stellten keine Abweichung von dem fest, was von der normalen Anziehungskraft der Kugel und der Erde zu erwarten wäre.

Der Schlüssel zur Verwendung frei fallender Atome zum Testen der Schwerkraft liegt in der Fähigkeit, jedes Atom in einer Quantenüberlagerung zweier Zustände mit jeweils leicht unterschiedlichem Impuls anzuregen, die von dem schweren Wolframgewicht, das über unseren Köpfen hängt, über unterschiedliche Entfernungen getragen werden. Der Zustand mit höherem Impuls und größerer Höhe erfährt mehr Schwerkraft für das Wolfram, was seine Phase ändert. Wenn die Wellenfunktion des Atoms zusammenbricht, offenbart die Phasendifferenz zwischen den beiden Teilen der Materiewelle den Gravitationsunterschied zwischen ihnen.

„Atominterferometrie ist die Kunst und Wissenschaft, die Quanteneigenschaften eines Teilchens zu nutzen, also die Tatsache, dass es sowohl ein Teilchen als auch eine Welle ist. Wir teilen die Welle auf, sodass das Teilchen gleichzeitig zwei Wege nimmt, und dann „Irgendwann kommt es zu Konflikten zwischen ihnen“, sagte Müller. „Die Wellen können phasengleich sein und sich häufen, oder die Wellen können phasenverschoben sein und sich gegenseitig aufheben. Der Trick besteht darin, dass es sehr stark von einer Größe abhängt, die Sie messen möchten. wie Beschleunigung oder Schwerkraft oder Rotation oder Grundkonstanten.

Die Grenzen der Experimentalphysik erweitern

Im Jahr 2019 fügten Müller und seine Kollegen ein optisches Gitter hinzu, um Atome über einen viel längeren Zeitraum – erstaunliche 20 Sekunden – in der Nähe eines Wolframgewichts zu halten, um den Effekt der Schwerkraft auf die Phase zu verstärken. Ein optisches Gitter nutzt zwei gekreuzte Laserstrahlen und erzeugt so eine gitterartige Anordnung stabiler Orte, an denen sich Atome sammeln und in ein Vakuum aufsteigen. Er fragte sich, ob 20 Sekunden das Limit seien?

Während des Höhepunkts COVID-19 Während der Pandemie arbeitete Panda unermüdlich daran, die Wartezeit zu verlängern, indem er methodisch eine Liste mit 40 potenziellen Problemen korrigierte, bis er sicher war, dass die durch Vibrationen verursachte wackelige Neigung des Laserstrahls eine große Einschränkung darstellte. Indem man den Strahl in der Resonanzkammer hält und die Temperatur etwas kühler einstellt – in diesem Fall weniger als ein Millionstel Kelvin darüber Absoluter NullpunktOder eine Milliarde Mal kühler als die Raumtemperatur, was die Wartezeit auf 70 Sekunden verlängert.

Er und Müller Veröffentlichte diese Ergebnisse In der Ausgabe vom 11. Juni 2024 von Naturphysik.

Gravitationsverschränkung

In ihrem neu veröffentlichten Gravitationsexperiment tauschten Banda und Müller eine kürzere Zeit, zwei Sekunden, gegen eine größere Trennung der Wellenpakete bis hinunter zu mehreren Mikrometern, also mehreren Tausendstel Millimetern. In der Vakuumkammer befinden sich für jedes Experiment etwa 10.000 Cäsiumatome – so spärlich verteilt, dass sie nicht miteinander interagieren –, verteilt durch das optische Gitter in Wolken von jeweils etwa 10 Atomen.

„Die Schwerkraft versucht, es mit einer milliardenfach stärkeren Kraft nach unten zu drücken als die Schwerkraft eines Wolframblocks, aber Sie haben die Wiederherstellungskraft des optischen Gitters, das es wie ein Regal hochhält“, sagte Panda. „Dann nehmen wir jedes Atom und teilen es in zwei Wellenpakete auf, sodass sie sich nun in einer Überlagerung von zwei Höhen befinden. Dann nehmen wir jedes dieser beiden Wellenpakete und laden sie an eine separate Stelle des Gitters, ein separates Rack Es sieht aus wie ein Schrank. Wenn wir das Netz abschalten, kommen die Wellenpakete wieder zusammen.“

Panda plant den Bau seines eigenen Gitter-Atominterferometers an der University of Arizona, wo er gerade zum Assistenzprofessor für Physik ernannt wurde. Er hofft, damit unter anderem die Gravitationskonstante, die die Schwerkraft mit der Masse in Beziehung setzt, genauer messen zu können.

Unterdessen bauen Mueller und sein Team von Grund auf ein neues Gitter-Atominterferometer mit besserer Vibrationskontrolle und niedrigerer Temperatur. Das neue Gerät kann 100-mal bessere Ergebnisse liefern als das aktuelle Experiment. Empfindlich genug, um Quanteneigenschaften der Schwerkraft zu erkennenDas geplante Experiment zum Nachweis der Gravitationsverschränkung wird im Erfolgsfall der ersten Demonstration der Quantenverschränkung von Photonen ähneln, die 1972 an der UC Berkeley vom verstorbenen Stuart Friedman und ehemaligen Postdoktoranden durchgeführt wurde John Clouser. Clauser erhielt für diese Arbeit den Nobelpreis für Physik 2022.

Referenz: „Messung der Schwerkraft mit einem Atomgitterinterferometer“ von Christian D. Banda und Matthew J. Tao, Miguel Ceja, Justin Khoury, Guglielmo M. Tino und Holger Müller, 26. Juni 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07561-3

Weitere Co-Autoren des Gravity-Artikels sind der Doktorand Matthew Tao und der ehemalige Student Miguel Ceja von der UC Berkeley sowie Justin Khouri von der UC Berkeley. Universität von Pennsylvania in Philadelphia und Guglielmo Tino von der Universität Florenz in Italien. Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (1708160, 2208029), dem Office of Naval Research (N00014-20-1-2656) und dem Jet Propulsion Laboratory (1659506, 1669913) unterstützt.