“Zbudowany wiele lat temu w celu eksperymentalnego badania neutrin 100 metrowy szyb znajdujący się na terenie Fermilabu będzie teraz miejscem dla nowego eksperymentu kwantowego mającego odkryć naturę ciemnej materii oraz fal grawitacyjnych.

Naukowcy z MAGIS-100 będą opuszczali w tubie próżniowej w dół grupy atomów oświetlone światłem laserowym celem badania aspektów fizyki kwantowej. Eksperyment ma na celu ujawnienie obecności ultralekkich cząstek ciemnej materii i umożliwienie wykrycia fal grawitacyjnych o niższej częstotliwości niż do tej pory wykryte.

Zgodnie z prawami fizyki kwantowej, atomy mogą znajdować się jednocześnie w dwóch miejscach naraz czyli w superpozycji dwóch stanów kwantowych. Podobnie jak fala rozbijająca się o skałę, atom może utworzyć dwa grzbiety fal w różnych miejscach, które następnie łączą się ponownie.

100-metrowy Matter-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor – czyli MAGIS-100 – będzie największym na świecie interferometrem atomowym i pozwoli przesunąć granice dystansu na jaki można będzie rozszczepić atom na dwa stany kwantowe utrzymywane jednocześnie. Jednym z lepiej znanych interferometrów jest LIGO, finansowany przez National Science Foundation. LIGO służy do wykrywania fal grawitacyjnych poprzez rozszczepienie fali świetlnej na pół i wysłanie światła do dwóch jednakowo odległych detektorów. Jakakolwiek różnica w czasie przebycia oznacza, że fala grawitacyjna przeszła przez przestrzeń i zniekształciła ją.

Jak sama nazwa wskazuje, interferometr atomowy mierzy taką różnicę, lecz dla fali atomowej.

“Będziemy manipulować atomami w ludzkiej skali, osiągając separację atomową na mniej więcej wysokość osoby”, wyjaśnił naukowiec Fermilab Roni Harnik. “Nigdy wcześniej nie zostało to zrobione”.

Światło lasera będzie przemieszczać się z jednego końca tuby próżniowej do drugiego i z powrotem, oświetlając przy tym chmury opadających atomów w celu pomiaru różnych faz atomowych powstających w wyniku interakcji cząstek światła z pojedynczymi atomami.

Technika ta, nazywana interferometrią atomową, zazwyczaj używa atomów rubidu. Zespół MAGIS ze Stanford University osiągnął w tej materii jednak znaczny postęp co umożliwiło im wykorzystanie atomów strontu.

Zmiana ta oznacza, że kiedy laser wejdzie w reakcję z elektronem z atomu strontu, elektron będzie wzbudzony przez dłuższą ilość czasu – rzędu minut, w przeciwieństwie do nanosekund atomu rubidu. Zwiększona żywotność strontu sprawia, że stanowi on doskonały zegar atomowy i idealnie nadaje się do pomiaru czasu, w którym światło lasera wielokrotnie przechodzi przez długość tuby próżniowej.

Postęp technologiczny w połączeniu z wiedzą fachową Fermilabu w zakresie inżynierii akceleratorów cząstek i innych dużych narzędzi naukowych, umożliwi skonstruowanie tego interferometru i zgłębianie nowych dziedzin.

Przekraczanie granic kwantowych

W celu zilustrowania zasad mechaniki kwantowej Erwin Schrödinger opracował swój słynny eksperyment myślowy, powszechnie nazywany paradoksem kota Schrödingera. Główną idea eksperymentu przedstawia się następująco: jeśli umieściłeś kota w zamkniętym pudełku z fiolką losowo aktywowanej trucizny, to mechanika kwantowa mówi, że dopóki pudełko nie zostanie otwarte uznaje się, że kot może być zarówno żywy, jak i martwy.

To dobry przykład żeby zrozumieć co mają na myśli fizycy kiedy twierdzą, że atom znajduje się w dwóch stanach kwantowych jednocześnie lub inaczej superpozycji.

Zegary atomowe bazują na tego rodzaju superpozycji pojedynczego atomu, aby osiągnąć poziom precyzji, do którego są predestynowane.

MAGIS-100 będzie w stanie przesunąć granice tego na jak daleko od siebie można rozdzielić dwa różne stany kwantowe atomu. Obecnie Stanford University posiada rekord w tej kwestii, który wynosi 54 cm. Przewiduje się, że MAGIS-100 będzie w stanie przynajmniej potroić tę odległość.

Oprócz zwiększenia odległości, MAGIS-100 ma również nadzieję na wydłużenie czasu w jakim atom spędzi w superpozycji. Najdłuższa zarejestrowana separacja swobodnie opadających atomów wynosi obecnie około dwóch sekund, ale badacze z MAGIS-100 liczą, że uda się ustalić wynik pomiędzy pięcioma a dziesięcioma sekundami.

Wyszukiwanie nieuchwytnych cząstek

Grawitacyjne efekty ciemnej materii obserwowane są już od lat 30 XX wieku. Współcześnie naukowcy wiedzą, że materia świecąca – czyli ta którą widzimy na co dzień – stanowi zaledwie 1/5 całej materii we wszechświecie. Ciemna materia stanowi resztę, jednak naukowcy nie zaobserwowali jeszcze jej elementów składowych.

Większość dominujących teorii postrzega ciemną materię jako nieuchwytne, sporadycznie oddziałujące cząstki. Liczne badania dotyczące ciemnej materii koncentrują się na słabo oddziałujących masywnych cząstkach, czyli WIMP, co do których przypuszcza się, że są masywniejsze niż proton. Naukowcy rozszerzyli jednak swoje poszukiwania, aby uwzględnić inne możliwości.

MAGIS-100 będzie więc poszukiwał kandydatów na ultralekką ciemną materię posiadającą masę znacznie mniejszą niż WIMP. Postulowanym przykładem takiej cząstki jest aksjon, którego masa miałaby być mniejsza niż masa neutrina czyli cząstki tak lekkiej, że przez dziesiątki lat uważano ją za bezmasową.

W przypadku cząstek, na które detektory MAGIS-100 mają być czułe, ciemną materię lepiej opisuje się jako falę, a nie cząstkę, co sprawia, że wartości uważane za stałe, oscylują w czasie. MAGIS-100 będzie poszukiwał takich oscylujących sygnałów pochodzących od najlżejszych kandydatów na ciemną materię.

Polega to na tym, że kiedy atomy znajdują się w superpozycji, mogą stać się wrażliwe na drobne zmiany spowodowane ultralekkimi cząstkami ciemnej materii. Jedna z takich zmian zachodzi, gdy taka cząstka wchodzi w interakcję z elektronem, co może nieznacznie zmienić masę elektronu. Ultralekkie cząstki ciemnej materii mogą również wpływać na siłę oddziaływania cząstek tworzących atom.

“Dlatego tak bardzo koncentrujemy się na tym, jak daleko od siebie możemy oddalić atom za pomocą MAGIS-100”, powiedział Jason Hogan, rzecznik MAGIS-100 i naukowiec z Stanford University. “Odległość ta jest bezpośrednio skorelowana z czułością naszego eksperymentu.”

Badanie jednorodności grawitacji

Zasada równoważności jest jednym z bardziej znanych efektów ogólnej teorii względności Einsteina, która ujednoliciła trójwymiarową przestrzeń i czas. Zasada ta mówi, że dwa obiekty, niezależnie od masy, jeśli zostaną umieszczone w próżni, spadną w tym samym tempie, jeśli zostaną umieszczone w takim samym polu grawitacyjnym.

Zasadniczo znaczy to, że grawitacja działa w ten sam sposób na wszystkie obiekty we wszechświecie.

Jednym z najlepszych sposobów testowania tej zasady jest doprowadzenie jej do naturalnych skrajności, w tym przypadku dotyczy to największych i najmniejszych ciał w znanym wszechświecie. Zasada równoważności Einsteina utrzymała się zarówno w przypadku dużych ciał niebieskich, jak i malutkich atomów. MAGIS-100 wykorzystywa fizykę kwantową do zwiększenia precyzji tych testów.

Naukowcy z MAGIS-100 będą upuszczać dwa różne izotopy tego samego atomu, które mają drobne różnice w masach i będą mierzyć czas spadania każdego z nich. Jeśli zasada Einsteina jest prawdziwa, izotopy spadną w tym samym tempie. Jeśli pojawi się jakiś nieprzewidziany wynik, może to wskazywać na istnienie nowej siły mogącej działać w powiązaniu z ciemną materią.

“Oczywiście, nie liczymy, że odkryjemy taką siłę wyłaniającą się z tego przedsięwzięcia”, powiedział Robert Plunkett, kierownik projektu MAGIS-100 i starszy naukowiec w Fermilabie. “Ale w nauce najbardziej ekscytująca rzecz przedstawia się następująco: dopóki nie sprawdzisz wszystkich możliwości, nie możesz być niczego pewien”.

Nowe długości fal grawitacyjnych

Pierwsze teleskopy miały możliwość obserwowania wszechświata wyłącznie w długościach fal światła widzialnego. Począwszy jednak od XX wieku, astronomowie rozpoczęli tworzenie teleskopów do obserwowania wszechświata w długościach radiowych, podczerwonych, ultrafioletowych, rentgenowskich i gamma. Ta różnorodność powiedziała naukowcom więcej o naszym wszechświecie, niż moglibyśmy kiedykolwiek nauczyć się z tylko światła widzialnego.

Kiedy zespół LIGO ogłosił światu odkrycie fal grawitacyjnych w 2015 r. przewidywania Alberta Einsteina po przeszło 100 latach okazały się słuszne. Od tego czasu, LIGO i jego współpraca z Virgo potwierdziły ponad 10 detekcji fal grawitacyjnych i udokumentowały ponad 20 dodatkowych kandydatów na fale grawitacyjne.

Dotychczas naukowcy byli w stanie rozpoznać tylko fale grawitacyjne w bardzo specyficznym zakresie częstotliwości, na które LIGO jest czułe. Celem naukowców jest opracowanie instrumentów będących w stanie przetestować inne częstotliwości fal grawitacyjnych, w ten sam sposób, w jaki teleskopy badają teraz wiele różnych zakresów długości fal elektromagnetycznych.

Technologia, którą wykorzystuje MAGIS-100, może być wykorzystana pewnego dnia do odkrycia fal grawitacyjnych o innym zakresie częstotliwości. Typowe eksperymenty z falami grawitacyjnymi mają detektory o długości ponad 1 km. Mając do dyspozycji 100 metrowej długości szyb naukowcy z MAGIS-100 nie będą w stanie wykryć źródeł fal grawitacyjnych jak LIGO. Jednak ich dążenie polega na przygotowaniu większego eksperymentu, który będzie w stanie wykryć sygnały o mniejszej częstotliwości fal grawitacyjnych niż w przypadku LIGO i który poinformuje z wyprzedzeniem o fuzji czarnych dziur, jeszcze zanim do niej dojdzie.

Następny krok

Oprócz Fermilabu i Stanford University, uczestnikami MAGIS-100 będą również naukowcy z czterech innych instytucji naukowych – Northern Illinois University, Northwestern University, Johns Hopkins University i the University of Liverpool.
Z pomocą grantu w wysokości 9,8 mln dolarów z Gordon and Betty Moore Foundation i funduszy z DOE Office of Science’s Office of High Energy Physics z programu QuantiSED, zespół MAGIS-100 rozpocznie jeszcze w tym miesiącu prace poczynając od budowy instalacji a kończąc na zbieraniu danych.

“Osobiście uwielbiam początkowe fazy eksperymentów, ponieważ jest to moment kiedy naprawdę otwierasz drzwi do nieznanego miejsca” – dodał Plunkett. “Kiedy już będziemy mieli do dyspozycji ten sprzęt, ludzie prawdopodobnie wymyślą jeszcze więcej pomysłów na jego użycie”.


Autor: Fake_R
Źródło: www.wykop.pl
1 Udostępnień
Kategorie: Nauka / Kosmos

Zostaw komentarz


*

code


  • Facebook

Szukaj temat