A Darkish Vitality-uma força misteriosa separando o universo a uma taxa cada vez maior-foi descoberta há 26 anos e, desde então, os cientistas procuram uma partícula nova e exótica causando a expansão.
Empurrando os limites desta busca, Universidade da Califórnia, os físicos de Berkeley agora construíram o experimento mais preciso que ainda está a procurar por pequenos desvios da teoria da gravidade aceita que poderia ser evidência para essa partícula, que os teóricos apelidaram um camaleão ou simmetron.
O experimento, que combina um interferômetro de átomos para medições precisas de gravidade com uma treliça óptica para manter os átomos no lugar, permitiu aos pesquisadores imobilizar átomos de queda livre por segundos, em vez de milissegundos para procurar efeitos gravitacionais, superando a medição mais precisa por atual por um fator de cinco.
Embora os pesquisadores não tenham encontrado desvio do que é previsto pela teoria explicada por Isaac Newton há 400 anos, as melhorias esperadas na precisão do experimento poderiam eventualmente apresentar evidências que apóiam ou refutam as teorias de uma quinta força hipotética mediada por camaleões ou symmetrons .
A capacidade do interferômetro Atom Lattice de manter átomos por até 70 segundos – e potencialmente 10 vezes mais – também abre a possibilidade de investigar a gravidade no nível quântico, disse Holger MüllerUC Berkeley Professor de Física. Embora os físicos tenham teorias bem testadas que descrevem a natureza quântica de três das quatro forças da natureza-eletromagnetismo e as forças fortes e fracas-a natureza quântica da gravidade nunca foi demonstrada.
“A maioria dos teóricos provavelmente concorda que a gravidade é quantum. Mas ninguém nunca viu uma assinatura experimental disso ”, disse Müller. “É muito difícil saber se a gravidade é quântica, mas se pudéssemos segurar nossos átomos 20 ou 30 vezes mais do que qualquer outra pessoa, porque nossa sensibilidade aumenta com o segundo ou quarto poder do tempo de espera, poderíamos ter 400 a 800.000 vezes melhor likelihood de encontrar provas experimentais de que a gravidade é de fato mecânica quântica. ”
Além das medições de precisão da gravidade, outras aplicações do interferômetro de átomos de treliça incluem sensor a quântica.
“A interferometria do átomo é particularmente sensível à gravidade ou efeitos inerciais. Você pode construir giroscópios e acelerômetros ”, disse Cristian Panda, companheiro de pós -doutorado da UC Berkeley, que é o primeiro autor de um artigo sobre as medições de gravidade definidas para serem publicadas nesta semana na revista Natureza e é co-autor de Müller. “Mas isso fornece uma nova direção na interferometria do Atom, onde a detecção quântica da gravidade, a aceleração e a rotação pode ser feita com átomos mantidos em treliças ópticas em um pacote compacto resistente a imperfeições ou ruídos ambientais”.
Como a treliça óptica mantém átomos rigidamente no lugar, o interferômetro de átomo de treliça pode até operar no mar, onde medições sensíveis da gravidade são empregadas para mapear a geologia do fundo do oceano.
Forças rastreadas podem se esconder à vista de todos
A Darkish Vitality foi descoberta em 1998 por duas equipes de cientistas: um grupo de físicos sediado no Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley, liderado por Saul Perlmutter, agora professor de física da UC Berkeley e um grupo de astrônomos que incluía o companheiro de pós -doutorado da UC Berkeley, Adam Riess. Os dois compartilharam o Prêmio Nobel de 2011 em Física para a descoberta.
O brilho roxo de um laser infravermelho ilumina o banco óptico usado no experimento. O laser é usado para controlar com precisão os estados quânticos dos átomos de césio em uma câmara de vácuo.
Cortesia do laboratório Holger Müller
A percepção de que o universo estava se expandindo mais rapidamente do que deveria rastrear supernovas distantes e usá -las para medir distâncias cósmicas. Apesar de muita especulação dos teóricos sobre o que realmente está afastando o espaço, a energia escura continua sendo um enigma – um grande enigma, uma vez que cerca de 70% de toda a matéria e energia do universo estão na forma de energia escura.
Uma teoria é que a energia escura é apenas a energia a vácuo do espaço. Outra é que é um campo de energia chamado quintessência, que varia com o tempo e o espaço.
Outra proposta é que a energia escura é uma quinta força muito mais fraca que a gravidade e mediada por uma partícula que exerce uma força repulsiva que varia com a densidade da matéria circundante. No vazio do espaço, exerceria uma força repulsiva por longas distâncias, capaz de separar o espaço. Em um laboratório na Terra, com a matéria ao redor para protegê -la, a partícula teria um alcance extremamente pequeno.
Esta partícula foi apelidada de camaleão, como se estivesse escondido à vista.
Em 2015, Müller adaptou um interferômetro Atom para Procure evidências de camaleões Usando átomos de césio lançados em uma câmara de vácuo, que imita o vazio do espaço. Durante os 10 a 20 milissegundos, os átomos levaram e despertarem acima de uma pesada esfera de alumínio, ele e sua equipe não detectaram desvio do que seria esperado da atração gravitacional regular da esfera e da terra.
A chave para usar átomos de queda livre para testar a gravidade é a capacidade de excitar cada átomo em uma superposição quântica de dois estados, cada um com um momento ligeiramente diferente que os leva a distâncias diferentes de um peso pesado de tungstênio pendurado no alto. O momento mais alto, o estado de elevação mais alto experimenta uma atração mais gravitacional pelo tungstênio, mudando sua fase. Quando a função da onda do átomo entra em colapso, a diferença de fase entre as duas partes da onda de matéria revela a diferença na atração gravitacional entre elas.
“A interferometria do átomo é a arte e a ciência de usar as propriedades quânticas de uma partícula, ou seja, o fato de ser uma partícula e uma onda. Dividimos a onda para que a partícula esteja seguindo dois caminhos ao mesmo tempo e depois os interfira no remaining ”, disse Müller. “As ondas podem estar em fase e aumentar, ou as ondas podem ficar fora de fase e se cancelar. O truque é que se eles estão em fase ou fora de fase depende de maneira muito sensível de algumas quantidades que você pode medir, como aceleração, gravidade, rotação ou constantes fundamentais. ”
Um treliça óptico trava grupos de átomos (discos azuis) em uma matriz common para que possam ser estudados por mais de um minuto. Os átomos individuais (pontos azuis) são colocados em uma superposição espacial quântica, isto é, em duas camadas da treliça de uma só vez, indicada pelas faixas amarelas alongadas.
Sarah Davis
Em 2019, Müller e seus colegas adicionaram uma treliça óptica para manter os átomos próximos ao peso do tungstênio por um tempo muito mais longo – 20 segundos impressionantes – para aumentar o efeito da gravidade na fase. A treliça óptica emprega duas vigas a laser cruzadas que criam uma matriz semelhante à treliça de locais estáveis para os átomos se reúnem, levitando no vácuo. Mas 20 segundos foram o limite, ele se perguntou?
Durante a altura da pandemia covid-19, o panda trabalhou incansavelmente para estender o tempo de espera, fixando sistematicamente uma lista de 40 possíveis obstáculos até o estabelecimento de que a inclinação da viga laser, causada por vibrações, period uma limitação principal. Estabilizando o feixe dentro de uma câmara ressonante e ajustando a temperatura para ser um pouco mais frio – neste caso menos de um milionésimo de um Kelvin acima de zero absoluto, ou um bilhão de vezes mais frio que a temperatura ambiente – ele conseguiu estender o tempo de espera para 70 segundos.
No experimento de gravidade recém -relatado, Panda e Müller trocaram um tempo mais curto, 2 segundos, por uma maior separação dos pacotes de ondas em vários mícrons ou vários milésimos de milímetro. Existem cerca de 10.000 átomos de césio na câmara de vácuo para cada experimento – muito escassamente distribuídos para interagir entre si – dispersos pela rede óptica em nuvens de cerca de 10 átomos cada.
Nesta fotografia, grupos de cerca de 10.000 átomos de césio podem ser vistos flutuando na câmara de vácuo, levitados por vigas a laser cruzadas que criam uma treliça óptica estável. Um peso cilíndrico de tungstênio e seu suporte são visíveis no topo.
Cristian Panda, UC Berkeley
“A gravidade está tentando empurrá -los com uma força um bilhão de vezes mais forte do que sua atração pela massa de tungstênio, mas você tem a força de restauração da treliça óptica que os está segurando, como uma prateleira”, disse Panda. “Em seguida, pegamos cada átomo e o dividimos em dois pacotes de ondas, então agora está em uma superposição de duas alturas. E então pegamos cada um desses dois pacotes de ondas e os carregamos em um native de rede separado, uma prateleira separada, por isso parece um armário. Quando desligamos a treliça, os pacotes de ondas recombinam e todas as informações quânticas que foram adquiridas durante o porão podem ser lidas. ”
O Panda planeja construir seu próprio interferômetro de atômito de treliça na Universidade do Arizona, onde acabou de ser nomeado professor assistente de física. Ele espera usá -lo para, entre outras coisas, medir com mais precisão a constante gravitacional que liga a força da gravidade à massa.
Enquanto isso, Müller e sua equipe estão construindo do zero, um novo interferômetro de Atom Lattice com melhor controle de vibração e uma temperatura mais baixa. O novo dispositivo pode produzir resultados 100 vezes melhor que o experimento atual, sensível o suficiente para detectar as propriedades quânticas da gravidade. O experimento planejado para detectar o emaranhamento gravitacional, se bem -sucedido, seria semelhante à primeira demonstração de emaranhamento quântico de fótons realizados na UC Berkeley em 1972 pelo falecido Stuart Freedman e ex -pós -doutorado John Clauser. Clauser compartilhou o Prêmio Nobel de 2022 em física por esse trabalho.
Outros co-autores do artigo de gravidade são Matthew Tao e ex-estudante de graduação Miguel Ceja da UC Berkeley, Justin Khoury, da Universidade da Pensilvânia, na Filadélfia e Guglielmo Tino, da Universidade de Florença, na Itália. O trabalho é apoiado pela Nationwide Science Basis (1708160, 2208029), Escritório de Pesquisa Naval (N00014-20-1-2656) e Laboratório de Propulsão a Jato (1659506, 1669913).
