Diep verborgen in een kelder op Stanford staat een 10 meter hoge buis, gewikkeld in een metalen kooi en gedrapeerd in draden. Een barrière scheidt het van de hoofdruimte, waarachter de cilinder drie verdiepingen beslaat tot een apparaat met ultrakoude atomen klaar om omhoog te schieten. Tafels vol met lasers om op de atomen te vuren - en te analyseren hoe ze reageren op krachten zoals de zwaartekracht - vullen de rest van het laboratorium.

De buis is een atoominterferometer, een op maat gemaakt apparaat ontworpen om de golfaard van atomen te bestuderen. Volgens de kwantummechanica, atomen bestaan ​​gelijktijdig als deeltjes en golven. Het Stanford-instrument vertegenwoordigt een model voor een ambitieus nieuw instrument dat tien keer zo groot is als het zou kunnen worden ingezet om zwaartekrachtsgolven te detecteren - minieme rimpelingen in de ruimtetijd die worden veroorzaakt door energie die verdwijnt van bewegende astronomische objecten. Het instrument zou ook licht kunnen werpen op een ander mysterie van het universum:donkere materie.

De experimentele natuurkundigen van Stanford, Jason Hogan en Mark Kasevich, hadden nooit de bedoeling dat hun apparaat op deze manier zou worden geïmplementeerd. Toen Hogan zijn afstudeeronderzoek begon in het laboratorium van Kasevich, hij concentreerde zich in plaats daarvan op het testen van de effecten van de zwaartekracht op atomen. Maar gesprekken met theoretisch natuurkundige Savas Dimopoulos, een professor in de natuurkunde, en zijn afgestudeerde studenten - vaak naar beneden gelokt door een espressomachine die recht tegenover het kantoor van Kasevich was gehuisvest - brachten hen ertoe te gaan denken over het nut ervan als een zeer gevoelige detector.

"We hadden het gewoon over natuurkunde, zoals natuurkundigen vaak doen, " zegt Kasevich, een professor in de natuurkunde en toegepaste natuurkunde aan de Stanford's School of Humanities and Sciences. Van het een kwam het ander en de groep kwam op een gewaagd plan om een ​​atoominterferometer te maken die zwaartekrachtgolven kan detecteren die niemand eerder heeft gezien.

Hun idee past in een andere golf die door de natuurkunde raast, een die gepaard gaat met het coöpteren van uiterst gevoelige instrumenten die voor andere doeleinden zijn ontwikkeld om fundamentele vragen over de natuur te beantwoorden.

Een nieuwe detectiemethode

anno 2015, de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detecteerde een kort signaal van een 1,3 miljard jaar oude botsing tussen twee superzware zwarte gaten. Vanaf dat moment, LIGO heeft meer zwaartekrachtsgolven gecatalogiseerd die door de aarde gaan, astronomen voorzien van een krachtige nieuwe lens waarmee ze het heelal kunnen bestuderen.

Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in de ruimte-tijd, net als oceaangolven, behalve dat ze de ruimte vervormen, niet water. In theorie, elke versnellende massa, of het nu een wuivende hand is of een planeet die in een baan om de aarde draait, gravitatiegolven produceert. Deze bewegingen, echter, komen voor op niveaus ver onder ons vermogen om ze te detecteren. Alleen zwaartekrachtsgolven van immense astronomische verschijnselen veroorzaken verschuivingen in de ruimte-tijd die groot genoeg zijn om door sensoren op aarde te kunnen worden herkend.

Net zoals verschillende frequenties het elektromagnetische spectrum vormen, zwaartekrachtsgolven variëren ook. LIGO en andere huidige zwaartekrachtgolfdetectoren detecteren een zeer smal bereik - hoogfrequente golven zoals die vanaf het moment dat twee zwarte gaten botsen - maar andere delen van het zwaartekrachtgolfspectrum blijven onontgonnen. En net zoals astronomen nieuwe dingen over een ster kunnen leren door zijn ultraviolette licht versus zijn zichtbare licht te bestuderen, het analyseren van gegevens van andere zwaartekrachtgolffrequenties kan helpen bij het oplossen van mysteries van de ruimte die momenteel buiten bereik zijn, inclusief die over het vroege heelal.

"We hebben een deel van het spectrum geïdentificeerd dat niet goed werd gedekt door een andere detector, en het bleek een match te zijn met de methoden die we al aan het ontwikkelen waren, " zei Hogan, een assistent-professor natuurkunde aan de School of Humanities and Sciences.

Tijdens Hogan's afstudeeronderzoek, hij en zijn collega's bouwden de 10 meter hoge atoominterferometer om enkele van hun ideeën te testen. Echter, om de gevoeligheid van het apparaat te vergroten - nodig om ruimte-tijdbewegingen te detecteren die kleiner zijn dan de breedte van een proton - hebben ze een grotere detector nodig. En dus de 100 meter lange materie-golf atoomgradiënt-interferometrische sensor, of MAGIS-100, experiment was geboren.

Met hulp van een subsidie ​​van $9,8 miljoen van de Gordon and Betty Moore Foundation, wetenschappers zijn van plan een bestaande ondergrondse schacht te maken bij Fermilab, een Department of Energy National Laboratory in Illinois, Het nieuwe huis van MAGIS-100.

"Je kunt gaten in de grond vinden, maar het is nogal moeilijk om een ​​gat in de grond te vinden met een lab eraan vast, " zei Rob Plunkett, een senior wetenschapper bij Fermilab betrokken bij het project.

conceptueel, MAGIS-100 werkt vergelijkbaar met LIGO. Beide experimenten gebruiken licht om de afstand tussen twee testmassa's te meten, net als radarbereik. Maar terwijl LIGO spiegels heeft, MAGIS-100 is voorstander van atomen.

"Het atoom blijkt een verbazingwekkende testmassa te zijn voor deze doeleinden, " zei Hogan. "We hebben zeer krachtige technieken om het te manipuleren en het ongevoelig te maken voor alle achtergrondgeluidsbronnen."

LIGO's spiegels hangen aan glasdraden, wat betekent dat een aardbeving zijn sensoren zou kunnen activeren. MAGIS-100, anderzijds, heeft maatregelen genomen om te voorkomen dat dergelijke bronnen van externe ruis zijn gegevens beïnvloeden.

Na te zijn afgekoeld tot een fractie van een graad boven het absolute nulpunt, de atomen vallen verticaal in de schacht als druppelende waterdruppels uit een kraan. De ijskoude temperatuur brengt de atomen in een staat van rust, dus ze blijven stil als ze vallen, en omdat de as een vacuüm is, de atomen kelderen zonder het risico te lopen uit koers te raken. De verticale oriëntatie van de schacht zorgt er ook voor dat een trillende aarde de metingen niet beïnvloedt.

Lasers manipuleren vervolgens de vallende atomen en het team kan meten hoe lang ze zich in een aangeslagen toestand bevinden. Hogan en Kasevich hopen strontium als testmassa te gebruiken - hetzelfde element dat in atoomklokken wordt gebruikt - om te bepalen of er enige tijdvertraging is wanneer licht atomen opwekt. Een vertraging zou suggereren dat er een zwaartekrachtgolf doorheen ging.

In aanvulling, MAGIS-100-wetenschappers kunnen de atomaire gegevens gebruiken om voorspellingen van donkere-materiemodellen te testen. Volgens sommige modellen, de aanwezigheid van donkere materie zou kunnen leiden tot variaties in atoomenergieniveaus. De supergevoelige lasertechnologie stelt Plunkett en medewerkers in staat om naar deze variaties te zoeken.

Op zoek naar de ruimte

MAGIS-100 is een prototype, een volgende stap in de richting van het bouwen van een nog groter apparaat dat vele malen gevoeliger zou zijn. Hogan en Kasevich zeiden dat ze op een dag iets willen bouwen op de schaal van LIGO, die 4 kilometer lang is.

Omdat een toekomstige full-scale MAGIS-100 laagfrequente zwaartekrachtsgolven rond 1 Hertz zou moeten detecteren, zoals die uitgezonden door twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien, het zou dezelfde gebeurtenissen kunnen identificeren die LIGO al heeft gezien, maar voordat de massa's daadwerkelijk botsen. De twee experimenten zouden elkaar dus kunnen aanvullen.

"We zouden een detector kunnen maken die hetzelfde systeem kan zien, maar veel, veel jonger, ' zei Hogan.

Geavanceerde detectoren in MAGIS-stijl kunnen ook bronnen van zwaartekrachtsgolven vinden die onder de radar van LIGO vliegen. Primordiale zwaartekrachtsgolven, bijvoorbeeld, geproduceerd kort na de oerknal.

"Het detecteren van zwaartekrachtsgolven die afkomstig zijn uit het vroege heelal kan licht werpen op wat er werkelijk is gebeurd, ' zei Kasevich.

Niemand kent de frequenties van deze oorspronkelijke zwaartekrachtsgolven of de toekomstige grootschalige detector ze kan oppikken. Hogan zei dat hij gelooft dat er zoveel mogelijk detectoren moeten worden gebouwd om een ​​breed scala aan frequenties te bestrijken en gewoon te zien wat er is.

"De bekende bronnen die opwindend zijn, zijn deze LIGO-achtige bronnen, "zei Hogan. "Dan zijn er nog de onbekende, waar we ook voor open moeten staan."