Замороженные атомы могут помочь изучать гравитационные волны

Москва, 11:34, 21 Окт 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Рябь в пространстве-времени астрофизики замечают только тогда, когда происходят самые большие события во Вселенной. Теперь ученые ищут способ определить их раньше времени.

Обнаружение гравитационных волн подтвердило вековую теорию общей теории относительности Эйнштейна, согласно которой ускоряющиеся объекты создают искривления в пространстве-времени, которые распространяются в волны. С тех пор ученые наблюдали эти сигналы десятки раз, приходящие из разных частей Вселенной и вызванные очень разными типами космических столкновений.

Но с тех пор ученые пытаются выяснить, что именно эти наблюдения могут сказать нам о Вселенной. К сожалению, у всех них есть одно серьезное ограничение: они представляют собой узкий снимок момента, когда два объекта врезаются друг в друга, и ничуть не больше. Хуже того, поскольку у нас нет подсказки, как эти события произойдут, мы даже не можем реально использовать другие инструменты для их изучения. Без большего контекста, гравитационные волны, которые мы обнаруживаем, мало о чем могут нам рассказать.

Ключ к получению большей отдачи от этих сигналов может прийти от нового эксперимента, формирующегося в глубине 100-метрового вертикального ствола в Фермилаб в Батавии, штат Иллинойс. Это MAGIS-100, проект, разработанный для того, чтобы увидеть, можно ли использовать стрельбу лазерами по замороженным атомам для наблюдения сверхчувствительных сигналов, которые могут распространяться в пространстве-времени. В случае успеха это может помочь вступить в новую эру «атомной интерферометрии», которая могла бы раскрыть некоторые секреты гравитационных волн, темной материи, квантовой механики и других малоизученных тем.

Как работает MAGIS-100

Вот как MAGIS-100 должен работать: атомы охлаждаются до доли выше абсолютного нуля (чтобы поддерживать их стабильность), а затем опускаются в вакуумную камеру, расположенную внутри вала. Лазер пульсирует в этой камере между атомами в свободном падении, и измеряется время, необходимое для прохождения света от одного к другому. Поскольку свет в вакууме движется с постоянной скоростью, это время должно быть точно предсказуемым. Предполагается, что любая задержка будет вызвана чувствительными внешними сигналами — гравитационными волнами или, возможно, чем-то другим.

По своей сути, MAGIS-100 является своего рода уменьшенной версией интерферометров LIGO, которые сделали первые измерения гравитационных волн в 2015 году. Разница в том, что LIGO использует зеркала, расположенные на расстоянии сотен километров друг от друга, а не атомов. Эти зеркала восприимчивы к помехам, вызванным возмущениями в земле, что затрудняет распознавание реальных сигналов от ложного «шума». Теоретически, на свободно падающий атом это не повлияет.

Физик из Стэнфордского университета Джейсон Хоган, один из руководителей проекта, сравнивает технологию MAGIS-100 с гибридом интерферометра и атомных часов.

«Эти атомы в основном действуют как очень хорошие секундомеры, которые задерживают время распространения света и ищут колебания, вызванные другими сигналами», — говорит он.

Сравнение с атомными часами имеет смысл. В то время как 10-метровый предшественник MAGIS-100 использовал атомы рубидия, в нынешнем приборе будут использоваться атомы стронция, которые в настоящее время используются в лучших атомных часах в мире. Они менее чувствительны к внешним магнитным полям, чем другие атомы, что означает «они теряют одну секунду в течение всей жизни Вселенной», говорит Хоган.

Надежда состоит в том, что будущая, более крупная версия MAGIS-100 сможет воспринимать гравитационно-волновые события, которые выходят за рамки крупных проектов, таких как LIGO или Virgo, базирующихся в Италии.