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

Die Schwerkraft ist die Kraft, die wir in jedem Moment spüren, der unsichtbare Anker, der unsere Füße am Boden hält und die Ozeane in ihren Becken verankert. Seit Jahrhunderten verstehen wir die Schwerkraft als ein sanftes, kontinuierliches Ziehen, eine Regel, die gleichermaßen für einen fallenden Apfel und eine driftende Wolke gilt. Doch in der Quantenwelt, in der sich die Regeln der Physik für die kleinsten Teilchen ändern, verhält sich die Schwerkraft anders. Sie zieht nicht sanft; stattdin zwingt sie Teilchen in spezifische, diskrete Höhenstufen, ganz ähnlich wie eine Leiter, auf deren Sprossen man stehen kann, aber niemals in dem Zwischenraum dazwischen. Diese werden als gravitative Quantenzustände bezeichnet. Während Wissenschaftler dieses seltsame Verhalten bereits bei Neutronen beobachtet haben, versucht nun ein neues Unterfangen, es bei Atomen einzufangen – eine Leistung, die offenbaren könnte, ob die Schwerkraft für alle Materie und sogar für Antimaterie auf die gleiche Weise wirkt.

Die GRASIAN-Kollaboration, ein Team von Physikern aus Österreich, der Schweiz, Finnland und Frankreich, baut eine spezialisierte Maschine, um diese Quantenzustände in Wasserstoffatomen zu beobachten. Ihr Ziel ist es, einen Wasserstoffstrahl zu erzeugen, der sich so langsam und gleichmäßig bewegt, dass die Atome in diese unsichtbaren Sprossen der Schwerkraft einsinken können. Um dies zu erreichen, müssen sie die Atome bis nahe an den absoluten Nullpunkt abkühlen und sie durch eine Reihe enger Öffnungen leiten, wobei alle Atome herausgefiltert werden, die sich zu schnell oder zu unkontrolliert bewegen. Die Herausforderung ist immens, da die Atome unglaublich leicht und schwer zu kontrollieren sind und das Signal, das sie erzeugen, leicht durch das Hintergrundrauschen von herumfliegenden Gasmolekülen in der Vakuumkammer überlagert wird.

In ihrer neuesten Arbeit berichtet das Team über bedeutende Fortschritte bei der Bändigung dieser chaotischen Umgebung. Sie begannen damit, den Wasserstoffstrahl mit einer Reihe von Präzisionslöchern und Schlitzen zu formen und den Strom der Atome auf eine Breite von nur zwei Millimetern zu verengen. Dieser Kollimationsprozess wirkt wie ein Sieb, das nur die geordnetsten Atome passieren lässt. Durch die sorgfältige Justierung der Höhe dieser Schlitze können die Forscher Atome mit sehr spezifischen vertikalen Geschwindigkeiten auswählen und gezielt nach jenen suchen, die sich mit nur wenigen Zentimetern pro Sekunde bewegen. Diese langsame, stetige Bewegung ist essenziell, da schnellere Atome einfach über die Quantensprossen hinwegfliegen würden, ohne jemals in sie einzusinken.

Doch selbst mit einem perfekt geformten Strahl sah sich das Experiment einem großen Hindernis gegenüber: dem Hintergrundrauschen. Die Detektoren registrierten Signale von herumstreuenden Wasserstoffatomen, die aus den Wänden in die Kammer geleckt waren, was es schwierig machte, das echte Signal vom Rauschen zu unterscheiden. Um dies zu lösen, versuchte das Team zuerst, Wasserstoff durch seinen schwereren Cousin Deuterium zu ersetzen. Da Deuterium schwerer ist, bewegt es sich bei der gleichen Temperatur langsamer und es ist in der Vakuumanlage wesentlich seltener vorhanden, was das Hintergrundrauschen auf natürliche Weise reduzierte. Dieser Wechsel verbesserte die Klarheit des Signals und ermöglichte es dem Team, Deuteriumatome zu detektieren, die sich mit Geschwindigkeiten von unter 95 Metern pro Sekunde bewegten.

Die dramatischste Verbesserung ergab sich, als sie die Detektionskammer selbst neu gestalteten. Sie installierten einen doppelwandigen Schild, der mit flüssigem Helium gekühlt wurde, wodurch das Innere des Detektors effektiv in eine Kryopumpe verwandelt wurde, die herumfliegende Gasmoleküle einfriert. Diese einfache, aber kraftvolle Änderung eliminierte das strahlbedingte Hintergrundrauschen fast vollständig. Mit dem unterdrückten Rauschen gelang es dem Team erfolgreich, Wasserstoffatome zu detektieren, die sich mit Geschwindigkeiten von nur 72 Metern pro Sekunde bewegten – ein Schwellenwert, der sie in greifbare Nähe der Geschwindigkeiten bringt, die zur Beobachtung gravitativer Quantenzustände erforderlich sind.

Die Forscher nutzten anschließend Computersimulationen, um zu testen, ob ihr aktueller Aufbau bereit für das endgültige Experiment ist. Sie modellierten, wie sich die Atome beim Passieren eines Gravitationsspektrometers verhalten würden – eines Geräts, das darauf ausgelegt ist, die Höhe dieser Quantenzustände zu messen. Die Simulationen zeigten, dass sie mit den nun erreichten Geschwindigkeiten in der Lage sein sollten, die deutlichen Stufen zu sehen, die die Anwesenheit gravitativer Quantenzustände kennzeichnen. Das Team ist nun zuversichtlich, dass ihre Apparatur bereit ist, die aktuelle Detektionskammer durch das endgültige Spektrometer zu ersetzen. Sollte dies erfolgreich sein, wird dieses Experiment zum ersten Mal die Beobachtung gravitativer Quantenzustände in Atomen markieren und ein neues Fenster in die fundamentale Natur der Schwerkraft öffnen sowie potenziell Wissenschaftlern ermöglichen, in Zukunft zu testen, wie die Schwerkraft auf Antimaterie wirkt.