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

Zwaartekracht is de kracht die we elk moment voelen, de onzichtbare band die onze voeten op de grond houdt en de oceanen in hun bekkens houdt. Eeuwenlang hebben we zwaartekracht begrepen als een vloeiende, continue trek, een regel die evenzeer geldt voor een vallende appel als voor een drijvende wolk. Maar in de kwantumwereld, waar de regels van de natuurkunde veranderen voor de kleinste deeltjes, gedraagt de zwaartekracht zich anders. Het trekt niet vloeiend; in plaats daarvan dwingt het deeltjes in specifieke, discrete niveaus van hoogte, vergelijkbaar met een ladder waarop je op een sport kunt staan, maar nooit in de ruimte tussen de sporten. Deze worden gravitationele kwantumtoestanden genoemd. Terwijl wetenschappers dit vreemde gedrag al hebben waargenomen bij neutronen, probeert een nieuwe inspanning dit nu te vangen in atomen, een prestatie die zou kunnen onthullen of zwaartekracht op dezelfde manier werkt voor alle materie en zelfs voor antimaterie.

De GRASIAN-collaboratie, een team van natuurkundigen uit Oostenrijk, Zwitserland, Finland en Frankrijk, bouwt een gespecialiseerde machine om deze kwantumtoestanden in waterstofatomen te observeren. Hun doel is om een waterstofstraal te creëren die zo langzaam en vloeiend beweegt dat de atomen zich kunnen nestelen in deze onzichtbare sporten van de zwaartekracht. Om dit te bereiken, moeten ze de atomen koelen tot nabij het absolute nulpunt en ze door een reeks nauwe openingen leiden, waarbij ze alle atomen die te snel of te grillig bewegen eruit filteren. De uitdaging is enorm omdat de atomen ongelooflijk licht zijn en moeilijk te controleren zijn, en het signaal dat ze produceren gemakkelijk wordt overstemd door achtergrondruis van rondtrekkende gasmoleculen in de vacuümkamer.

In hun meest recente werk rapporteert het team aanzienlijke vooruitgang in het temmen van deze chaotische omgeving. Ze begonnen de waterstofstraal vorm te geven met een reeks precisiegaten en spleten, waardoor de stroom atomen werd vernauwd tot een breedte van slechts twee millimeter. Dit collimatieproces werkt als een zeef, waardoor alleen de meest ordelijke atomen doorlaten worden. Door de hoogte van deze spleten zorgvuldig aan te passen, kunnen de onderzoekers atomen selecteren met zeer specifieke verticale snelheden, waarbij ze filteren op atomen die bewegen met slechts enkele centimeters per seconde. Deze langzame, gestage beweging is essentieel, aangezien snellere atomen simpelweg over de kwantumsporen heen zouden vliegen zonder zich er ooit in te nestelen.

Zelfs met een perfect gevormde straal werd het experiment echter geconfronteerd met een grote hindernis: achtergrondruis. De detectoren pikten signalen op van rondtrekkende waterstofatomen die vanuit de wanden de kamer in waren gelekt, wat het moeilijk maakte om het echte signaal van de ruis te onderscheiden. Om dit op te lossen, probeerde het team eerst waterstof te vervangen door zijn zwaardere neef, deuterium. Omdat deuterium zwaarder is, beweegt het langzamer bij dezelfde temperatuur, en het is veel zeldzamer in het vacuumsysteem, wat de achtergrondruis van nature verminderde. Deze overstap verbeterde de helderheid van het signaal, waardoor het team deuteriumatomen kon detecteren die bewegen met snelheden onder de 95 meter per seconde.

De meest dramatische verbetering kwam toen ze de detectiekamer zelf herontwierpen. Ze installeerden een dubbellaagig scherm dat gekoeld wordt door vloeibaar helium, waardoor het binnenste van de detector effectief een cryopomp werd die rondtrekkende gasmoleculen bevriest. Deze eenvoudige maar krachtige verandering elimineerde de straalgerelateerde achtergrond bijna volledig. Met de ruis onderdrukt, slaagde het team erin om waterstofatomen te detecteren die bewegen met snelheden zo laag als 72 meter per seconde, een drempel die hen binnen handbereik brengt van de snelheden die vereist zijn om gravitationele kwantumtoestanden te observeren.

De onderzoekers gebruikten vervolgens computersimulaties om te testen of hun huidige opstelling klaar is voor het definitieve experiment. Ze modelleerden hoe de atomen zich zouden gedragen terwijl ze door een gravitationele spectrometer passeren, een apparaat dat ontworpen is om de hoogte van deze kwantumtoestanden te meten. De simulaties toonden aan dat ze, met de snelheden die ze nu hebben bereikt, de duidelijke stappen zouden moeten kunnen zien die de aanwezigheid van gravitationele kwantumtoestanden markeren. Het team is er nu van overtuigd dat hun apparaat klaar is om de huidige detectiekamer te vervangen door de definitieve spectrometer. Als dit succesvol is, zal dit experiment de eerste keer zijn dat gravitationele kwantumtoestanden in atomen worden waargenomen, wat een nieuw venster opent naar de fundamentele aard van de zwaartekracht en het in de toekomst mogelijk maakt voor wetenschappers om te testen hoe de zwaartekracht op antimaterie werkt.