GRASIAN: Shaping and characterization of the cold hydrogen and deuterium beams for the forthcoming first demonstration of gravitational quantum states of atoms

الجاذبية هي القوة التي نشعر بها في كل لحظة، ذلك الرباط الخفي الذي يبقي أقدامنا على الأرض والمحيطات في أحواضها. لقرون مضت، فهمنا الجاذبية كقوة سحب سلسة ومستمرة، قاعدة تنطبق بالتساوي على تفاحة ساقطة وسحابة عائمة. ولكن في العالم الكمي، حيث تتغير قواعد الفيزياء بالنسبة لأصغر الجسيمات، تسلك الجاذبية سلوكاً مختلفاً. فهي لا تسحب بسلاسة؛ بل تجبر الجسيمات على اتخاذ مستويات محددة ومنفصلة من الارتفاع، تماماً مثل السلم حيث يمكنك الوقوف على درجة ولكن لا يمكنك أبداً الوقوف في الفراغ بينهما. تُسمى هذه "الحالات الكمية للجاذبية". وبينما رصد العلماء هذا السلوك الغريب بالفعل في النيوترونات، يحاول جهد جديد الآن رصده في الذرات، وهو إنجاز قد يكشف ما إذا كانت الجاذبية تعمل بنفس الططريقة مع جميع أنواع المادة وحتى مع المادة المضادة.

قام تعاون "جراسيان" (GRASIAN)، وهو فريق من الفيزيائيين من النمسا وسويسرا وفنلندا وفرنسا، ببناء آلة متخصصة لمراقبة هذه الحالات الكمية في ذرات الهيدروجين. هدفهم هو إنشاء شعاع من الهيدروجين يتحرك ببطء وسلاسة شديدة بحيث يمكن للذرات أن تستقر في درجات الجاذبية غير المرئية هذه. وللقيام بذلك، يجب عليهم تبريد الذرات إلى ما يقرب من الصفر المطلق وتوجيهها عبر سلسلة من الفتحات الضيقة، مع تصفية أي ذرات تتحرك بسرعة كبيرة جداً أو بشكل غير منتظم. التحدي هائل لأن الذرات خفيفة للغاية ويصعب التحكم فيها، كما أن الإشارة التي تنتجها يسهل طمسها بسبب الضوضاء الخلفية الناتجة عن جزيئات الغاز الشاردة في غرفة الفراغ.

في عملهم الأخير، أفاد الفريق بتحقيق تقدم كبير في ترويض هذه البيئة الفوضوية. بدأوا بتشكيل شعاع الهيدروجين باستخدام سلسلة من الثقوب والشقوق الدقيقة، مما أدى إلى تضييق مجرى الذرات إلى عرض يبلغ مليمتريْن فقط. تعمل عملية التوازي هذه مثل المنخل، حيث تسمح فقط للذرات الأكثر انتظاماً بالمرور. ومن خلال ضبط ارتفاع هذه الشقوق بعناية، يمكن للباحثين اختيار ذرات ذات سرعات رأسية محددة للغاية، وتصفية تلك التي تتحرك بسرعة تبلغ بضعة سنتيمترات في الثانية فقط. هذه الحركة البطيئة والثابتة ضرورية، لأن الذرات الأسرع ستطير ببساطة فوق الدرجات الكمية دون أن تستقر فيها أبداً.

ومع ذلك، حتى مع وجود شعاع مشكل بدقة، واجهت التجربة عقبة رئيسية: الضوضاء الخلفية. كانت أجهزة الكشف تلتقط إشارات من ذرات هيدروجين شاردة تسربت إلى الغرفة من الجدران، مما جعل من الصعب التمييز بين الإشارة الحقيقية والضوضاء. ولحل هذه المشكلة، حاول الفريق أولاً استبدال الهيدروجين بـ "الدوتيريوم"، وهو النسخة الأثقل منه. ولأن الدوتيريوم أثقل، فإنه يتحرك ببطء أكبر عند نفس درجة الحرارة، وهو أندر بكثير في نظام الفراغ، مما قلل طبيعياً من الضوضاء الخلفية. أدى هذا التغيير إلى تحسين وضوح الإشارة، مما سمح للفريق برصد ذرات الدوتيريوم المتحركة بسرعات تقل عن 95 متراً في الثانية.

أما التحسن الأكثر دراماتيكية فقد جاء عندما أعادوا تصميم غرفة الكشف نفسها. فقد قاموا بتركيب درع مزدوج الطبقات مبرد بالهيليوم السائل، مما حول داخل الكاشف فعلياً إلى مضخة تجميد (cryopump) تعمل على تجميد جزيئات الغاز الشاردة. هذا التغيير البسيط والقوي قضى على الضوضاء المتعلقة بالشعاع بشكل شبه كامل. ومع كبح الضوضاء، نجح الفريق في رصد ذرات الهيدروجين المتحركة بسرعات تصل إلى 72 متراً في الثانية، وهي عتبة تقربهم من السرعات المطلوبة لرصد الحالات الكمية للجاذبية.

استخدم الباحثون بعد ذلك عمليات محاكاة حاسوبية لاختبار ما إذا كان إعدادهم الحالي جاهزاً للتجربة النهائية. قاموا بنمذجة كيفية سلوك الذرات أثناء مرورها عبر مقياس طيف جاذبي، وهو جهاز مصمم لقياس ارتفاع هذه الحالات الكمية. أظهرت عمليات المحاكاة أنه مع السرعات التي حققوها الآن، ينبغي أن يكونوا قادرين على رؤية الخطوات المتميزة التي تميز وجود الحالات الكمية للجاذبية. الفريق واثق الآن من أن جهازهم جاهز لاستبدال غرفة الكشف الحالية بالمطياف النهائي. وإذا نجحت هذه العملية، فستكون هذه التجربة هي المرة الأولى التي يتم فيها رصد الحالات الكمية للجاذبية في الذرات، مما يفتح نافذة جديدة على الطبيعة الجوهرية للجاذبية، وقد يسمح للعلماء مستقبلاً باختبار كيفية تأثير الجاذبية على المادة المضادة.