[新聞] 捕捉自由落體原子 尋找暗能量引起的引力

實驗捕捉自由落體中的原子，尋找由暗能量引起的引力異常 加州大學伯克利分校 https://phys.org/news/2024-06-captures-atoms-free-fall-gravitational.html https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2024/precision-instrument-b.jpg 加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的物理學家將銫原子的小簇（粉紅色斑點）固定在 垂直真空室中，然後將每個原子分裂成量子態，其中一半原子更接近鎢重量（閃亮圓柱體 ）而不是另一半（鎢下方的分裂球體）。通過測量原子波函數兩半之間的相位差，他們能 夠計算出原子兩部分之間的引力差異，這與牛頓引力的預期相匹配。圖片來源： Cristian Panda/加州大學伯克利分校 暗能量是一種以越來越快的速度推動宇宙分裂的神秘力量，在26年前被發現，從那時起， 科學家們一直在尋找一種新的奇異粒子，導致宇宙膨脹。 加州大學伯克利分校（University of California， Berkeley）的物理學家們現在已經 建立了迄今為止最精確的實驗，以尋找與公認的引力理論的微小偏差，這些偏差可能是這 種粒子的證據，理論家稱之為變色龍或對稱粒子。研究結果發表在2024年6月11日的《自 然物理學》雜誌上。 該實驗將用於精確重力測量的原子干涉儀與光學晶格相結合，以將原子固定到位，使研究 人員能夠將自由落體原子固定幾秒鐘而不是幾毫秒，以尋找引力效應，比目前最精確的測 量高出五倍。 儘管研究人員發現與艾薩克·牛頓（Isaac Newton）400年前提出的理論所預測的內容沒 有偏差，但實驗精度的預期改進最終可能會發現支援或反駁由變色龍或對稱子介導的假設 第五力的理論的證據。 加州大學伯克利分校物理學教授Holger Müller說，晶格原子干涉儀能夠保持原子長達70 秒 - 甚至可能更長10倍 - 也開闢了在量子水平上探測引力的可能性。雖然物理學家已經 用了經過充分檢驗的理論來描述自然界四種力中的三種力——電磁力和強力和弱力——的 量子性質，但引力的量子性質從未得到證明。 大多數理論家可能都同意引力是量子的。但沒有人見過這種實驗性特徵，“穆勒說。 “甚至很難知道引力是否是量子的，但是如果我們能比其他人保持原子長20或30倍，因為 我們的靈敏度呈指數級增長，我們就可以有400到80萬倍的機會找到引力確實是量子力學 的實驗證據。 除了重力的精確測量外，晶格原子干涉儀的其他應用還包括量子感測。 “原子干涉測量對重力或慣性效應特別敏感。你可以建造陀螺儀和加速度計，「加州大學 伯克利分校博士後研究員克利斯蒂安·潘達（Cristian Panda）說，他是該論文的第一作 者。“但這為原子干涉測量提供了新的方向，其中重力，加速度和旋轉的量子感感可以通 過原子保持在光學晶格中，在一個緊湊的封裝中完成，該封裝可以抵抗環境缺陷或雜訊。 由於光學晶格將原子剛性固定在適當的位置，晶格原子干涉儀甚至可以在海上運行，在那 裡使用靈敏的重力測量來繪製海底的地質。 https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2024/precision-instrument-b-1.jpg 在這張照片中，可以看到大約10,000個銫原子的團簇漂浮在真空室中，由交叉的鐳射束懸 浮，形成穩定的光學晶格。圓柱形鎢砝碼及其支撐在頂部可見。圖片來源：加州大學伯克 利分校的 Cristian Panda 遮罩部隊可以隱藏在眾目睽睽之下 暗能量是在1998年由兩組科學家發現的：一組位於勞倫斯伯克利國家實驗室的物理學家， 由現任加州大學伯克利分校物理學教授索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）領導，以及 包括加州大學伯克利分校博士後研究員亞當·裡斯（Adam Riess）在內的一組天文學家。 兩人因這一發現而共同獲得了2011年諾貝爾物理學獎。 宇宙膨脹的速度比應有的要快，這來自於追蹤遙遠的超新星並用它們來測量宇宙距離。儘 管理論家對實際上推動太空的東西有很多測測，但暗能量仍然是一個謎——一個很大的謎 ，因為宇宙中大約70%的物質和能量是以暗能量的形式存在的。 一種理論認為，暗能量只是空間的真空能量。另一個是它是一種稱為精髓的能量場，它隨 時間和空間而變化。 另一種說法是，暗能量是比重力弱得多的第五種力，由一種粒子介導，該粒子施加的排斥 力隨周圍物質的密度而變化。在空曠的空間中，它會在很遠的距離上施加排斥力，能夠將 空間分開。在地球上的實驗室里，周圍到處都是物質來遮罩它，粒子的範圍非常小。 這種粒子被稱為變色龍，就好像它隱藏在眾目睽睽之下一樣。 2015年，穆勒（Müller）改裝了一種原子干涉儀，以尋找變色龍使用銫原子發射到真空 室中的證據，該真空室模仿了太空的空虛。 在原子在沉重的鋁球體上方上升和下降所需的10到20毫秒內，他和他的團隊沒有發現與球 體和地球的正常引力預期的偏差。 使用自由落體原子來測試重力的關鍵是能夠將每個原子激發成兩種狀態的量子疊加態，每 種狀態的動量略有不同，使它們與懸掛在頭頂的重鎢重物的距離不同。更高的動量，更高 的仰角狀態對鎢的引力更大，從而改變了其相位。 當原子的波函數坍縮時，物質波兩部分之間的相位差揭示了它們之間的引力差異。 “原子干涉測量是利用粒子的量子特性的藝術和科學，也就是說，它既是粒子又是波。我 們將波分開，使粒子同時採取兩條路徑，然後在最後干擾它們，“Müller說。 “波可以同相並相加，也可以是異相並相互抵消。訣竅在於，它們是同相還是異相，非常 敏感地取決於您可能想要測量的一些量，例如加速度、重力、旋轉或基本常數。 https://scx2.b-cdn.net/gfx/news/hires/2024/precision-instrument-b-2.jpg 光學晶格將原子組（藍色圓盤）捕獲在規則陣列中，以便可以在晶格原子干涉儀內對它們 進行一分鐘以上的研究。單個原子（藍點）被放置在量子空間疊加中，即同時放置在晶格 的兩層中，由細長的黃色條帶表示。圖片來源：蘇珊·大衛斯 2019年，Müller和他的同事們增加了一個光學晶格，使原子在更長的時間內接近鎢的重 量——驚人的20秒——以增加重力對相的影響。光學晶格採用兩個交叉的鐳射束，形成一 個晶格狀的穩定位置陣列，供原子聚集，懸浮在真空中。但他想知道，20秒是極限嗎？ 在 COVID-19 大流行最嚴重的時候，Panda 孜孜不倦地工作以延長保持時間，系統地修復 了 40 個可能的障礙清單，直到確定由振動引起的鐳射束擺動傾斜是一個主要限制。 通過將光束穩定在諧振室內並將溫度調整為更冷一點（在這種情況下，低於絕對零度的百 萬分之一開爾文，或比室溫低十億倍），他能夠將保持時間延長到 70 秒。 引力糾纏 在新報導的重力實驗中，Panda和Müller用更短的時間（2秒）換取了波包的更大間隔， 以達到幾微米或千分之幾毫米。每個實驗在真空室中大約有10,000個銫原子 - 分佈太稀 疏而無法相互作用 - 通過光學晶格分散成每個約10個原子的雲。 “重力試圖用比它們對鎢品質的吸引力強十億倍的力將它們推下，但你有來自支撐它們的 光學晶格的恢復力，有點像架子，”熊貓說。 “然後我們把每個原子分成兩個波包，所以現在它處於兩個高度的疊加狀態。然後我們把 這兩個波包中的每一個都裝到一個單獨的格子位置，一個單獨的架子上，所以它看起來像 一個櫥櫃。當我們關閉晶格時，波包重新組合，並且可以讀出在保持期間獲得的所有量子 資訊。 Panda計劃在亞利桑那大學（University of Arizona）建造自己的晶格原子干涉儀，他剛 剛被任命為物理學助理教授。他希望用它來更精確地測量將重力與質量聯繫起來的引力常 數。 與此同時，Müller和他的團隊正在從頭開始構建一種新的晶格原子干涉儀，具有更好的 振動控制和更低的溫度。新設備可以產生比當前實驗好100倍的結果，足夠靈敏，可以檢 測引力的量子特性。 計劃中的探測引力糾纏的實驗如果成功，將類似於1972年由已故的斯圖爾特·弗里德曼（ Stuart Freedman）和前博士後研究員約翰·克勞澤（John Clauser）在加州大學伯克利 分校進行的光子量子糾纏的首次演示。克勞澤因這項工作分享了 2022 年諾貝爾物理學獎 。 這篇引力論文的其他合著者是加州大學伯克利分校的研究生Matthew Tao和前本科生 Miguel Ceja，費城賓夕法尼亞大學的Justin Khoury和義大利佛羅倫薩大學的Guglielmo Tino。 https://www.nature.com/articles/s41586-024-07561-3 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 111.253.175.187 (臺灣) ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Physics/M.1719805729.A.A9F.html