Atmospheric Newtonian noise in torsion-balance measurements of the gravitational constant $G$

Het meten van de sterkte van de zwaartekracht tussen twee objecten in een laboratorium is een van de moeilijkste taken in de natuurkunde. Wetenschappers proberen al eeuwenlang de exacte waarde van de gravitatieconstante van Newton vast te stellen, een getal dat ons vertelt hoe sterk materie aan andere materie trekt. Ondanks hun beste inspanningen wijken de metingen nog steeds op een kleine maar hardnekkige manier van elkaar af. Deze onenigheid suggereert dat er iets verborgen is in de achtergrond, een subtiele invloed die de experimenten niet helemaal kunnen wegfilteren. Hoewel wetenschappers al lang weten dat trillingen vanuit de grond of veranderingen in de luchtdruk gevoelige instrumenten kunnen beïnvloeden, is de specifieke manier waarop verschuivende luchtmassa's kleine, onafschermbare veranderingen in de zwaartekracht veroorzaken, moeilijk te kwantificeren met de precisie die nodig is voor de volgende generatie experimenten.

Om het probleem te begrijpen, kun je je een delicate balans voorstellen die het gewicht van een enkel korreltje zand kan detecteren. Als de lucht in de kamer verschuift, verandert de dichtheid van de lucht, en omdat lucht massa heeft, oefent het een minuscule zwaartekracht uit op de balans. Deze aantrekkingskracht is geen kracht die je kunt blokkeren met een muur of een schild; het is een fundamentele eigenschap van de zwaartekracht zelf. In de wereld van detectoren voor zwaartekrachtgolven staat dit fenomeen bekend als Newtoniaanse ruis, maar voor de specifieke experimenten die de gravitatieconstante proberen te meten, gelden andere regels. Deze experimenten maken gebruik van een torsiebalans, een apparaat waarbij een staaf aan een dunne draad hangt en draait wanneer deze wordt getrokken door nabijgelegen zware gewichten. Het doel is om die draaiing te meten om de gravitatieconstante te berekenen. De uitdaging is dat dezelfde fluctuaties in de luchtdichtheid die de achtergrondruis veroorzaken, ook een koppel, of draaimoment, op de balans creëren, wat de meting kan verwarren.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier ontwikkeld om precies te berekenen hoeveel deze atmosferische ruis ertoe doet. Ze hebben geen nieuw machine gebouwd of een nieuw fysiek experiment uitgevoerd. In plaats daarvan hebben ze een wiskundig kader gebouwd, een reeks regels waarmee wetenschappers de specifieke omstandigheden van hun laboratorium — de vorm van hun balans, de manier waarop ze hun gegevens middelen en de lokale weerspatronen — kunnen nemen en deze kunnen vertalen naar een nauwkeurige schatting van de fout die door de lucht wordt veroorzaakt. Ze behandelden de lucht als een fluctuerende laag massa die over de vloer beweegt en berekenden hoe deze fluctuaties de balans zouden laten draaien. Ze testten hun methode met twee extreme vormen voor de balans: een eenvoudige staaf met gewichten aan de uiteinden, wat het slechtst denkbare scenario voor ruis vertegenwoordigt, en een perfect symmetrische kruisvorm, wat het best mogelijke scenario voor het blokkeren van de ruis vertegenwoordigt.

De onderzoekers ontdekten dat voor de huidige generatie experimenten de ruis van de atmosfeer klein genoeg is dat deze de onenigheid tussen verschillende metingen van de gravitatieconstante niet verklaart. De achtergrondruis van de lucht ligt momenteel ruim onder het niveau van de onzekerheid waarmee wetenschappers werken. Echter, de studie laat zien dat naarmate experimenten nauwkeuriger worden en streven naar een niveau van precisie dat honderd keer beter is dan vandaag, deze atmosferische ruis een belangrijke factor zal worden. Het zal dan niet langer een achtergrondgefluister zijn; het zal een schreeuw worden die moet worden meegerekend. Het team heeft aangetoond dat toekomstige wetenschappers met behulp van hun nieuwe kader precies kunnen voorspellen hoeveel hun lokale luchtdruk interfereert met hun resultaten, en dat zij hun experimenten kunnen ontwerpen om deze ruis ofwel te elimineren of ervan af te trekken in hun gegevens.

Een van de belangrijkste inzichten van het werk is het onderscheid tussen constante, voorspelbare ruis en langzame, drijvende veranderingen. De onderzoekers maakten een onderscheid tussen de willekeurige, trillende fluctuaties van de lucht, die door de tijd heen gemiddeld kunnen worden, en de langzame, dwalende drift van de balans zelf, die niet door middel van middeling kan worden weggewerkt. Ze toonden aan dat terwijl de willekeurige ruis beheersbaar is met betere gegevensverwerking, de langzame drift een ander soort oplossing vereist. Ze toonden ook aan dat het simpelweg perfect symmetrisch maken van een balans om de ruis te blokkeren, geen perfecte oplossing is, omdat het ook het signaal zou blokkeren dat de wetenschappers proberen te meten. In plaats daarvan is de beste aanpak een zorgvuldige balans: net genoeg asymmetrie behouden om het signaal te kunnen zien, terwijl de ruis zo veel mogelijk wordt onderdrukt.

De studie onderzocht ook hoe sensoren kunnen helpen. Door meerdere barometers rond het experiment te plaatsen, kunnen wetenschappers de veranderingen in de luchtdruk in realtime in kaart brengen. De onderzoekers simuleerden hoe goed een ring van sensoren de ruis op de balans kon voorspellen. Ze ontdekten dat de grootte van de ring ertoe doet; een ring die te klein is, werkt als een enkel punt en mist het grotere plaatje, terwijl een ring die overeenkomt met de grootte van het gevoelige gebied van het experiment effectief de ruis kan voorspellen en verwijderen. Dit suggereert dat toekomstige experimenten waarschijnlijk uitgerust zullen moeten zijn met arrays van sensoren om de omgeving te monitoren, waardoor de lucht zelf van een bron van fouten een bron van gegevens wordt die gecorrigeerd kunnen worden.

Uiteindelijk biedt dit werk een routekaart voor de volgende stap in het meten van de zwaartekracht. Het bevestigt dat de huidige onenigheden in de gegevens niet worden veroorzaakt door de atmosfeer, maar het waarschuwt dat naarmate wetenschappers streven naar grotere precisie, de lucht een aanzienlijke hindernis zal worden. Het kader dat zij hebben gecreëerd, stelt elke onderzoeksgroep in staat om hun specifieke opstelling in te voeren en exact te bepalen hoeveel de atmosfeer hun resultaten beïnvloedt. Dit brengt het vakgebied van het gissen naar omgevingsfactoren naar het berekenen ervan met zekerheid. Naarmate experimenten bewegen naar het doel om de gravitatieconstante te meten met een precisie van één deel per miljoen, zal het vermogen om deze atmosferische ruis te modelleren en af te trekken essentieel zijn. De onderzoekers hebben aangetoond dat hoewel de lucht er altijd is en met onzichtbare handen aan de balans trekt, de invloed ervan nu gemeten, begrepen en verwijderd kan worden, wat de weg vrijmaakt voor een nauwkeuriger begrip van de fundamentele krachten van het universum.