Zwaartekrachtsgolven detecteren in de woonkamer

Een groep theoretisch natuurkundigen heeft een ‘tafelmodel’ apparaat ontworpen dat zwaartekrachtgolven kan meten. Maar hun uiteindelijke doel is om een van de grootste vragen uit de natuurkunde te beantwoorden: is zwaartekracht een kwantum-fenomeen? Het sleutelelement in het ontwerp bestaat uit de kwantumsuperpositie van grote objecten.

Het ontwerp is gepubliceerd in het tijdschrift New Journal of Physics. Het artikel is geschreven door onderzoekers van University College London (VK), University of Warwick (VK) en RUG (Nl).

In plaats van de huidige detectoren Ligo en Virgo, die bestaan uit kilometers lange bouwwerken, presenteerden de onderzoekers een tafelmodel detector. Dit apparaat zou bovendien gevoelig zijn voor golven met lagere frequenties dan de huidige detectoren en is eenvoudig op een bepaald deel van de hemel te richten, terwijl de huidige detectoren een vaste positie hebben.

Diamant

Het hart van het apparaat bestaat uit een piepkleine diamant, niet groter dan een paar nanometer. "In deze diamant is een van de koolstofatomen vervangen door een stikstofatoom", zegt RUG-onderzoeker Anupam Mazumdar. "Dit atoom zorgt voor een vrije ruimte in de valentieband (de baan waarin elektronen zich kunnen bevinden), zodat er een extra elektron in past. Volgens de kwantumtheorie kan dit elektron, na bestraling met laserlicht, de energie wel of niet opnemen. Absorptie van lichtenergie verandert de elektronenspin, een magnetisch moment dat de waarden op of neer kan hebben. Aangezien het elektron deel uitmaakt van de diamant is het hele object – met een massa van 10-17 kilo, wat voor kwantumfenomenen enorm groot is – in kwantum superpositie. Dit betekent dat de spin van de diamant tegelijkertijd op en neer is."

Door een magnetisch veld aan te brengen is het mogelijk beide kwantum-toestanden van elkaar te scheiden. Wanneer ze vervolgens weer bij elkaar worden gebracht door het magneetveld uit te zetten, veroorzaken beide toestanden een interferentiepatroon. "De aard van de interferentie hangt af van de afstand die er is geweest tussen beide kwantumtoestanden. En daarmee kunnen we de passage van een zwaartekrachtgolf meten." Die golven zorgen voor een samentrekking van de ruimte, en beïnvloeden dus de afstand tussen de twee gescheiden kwantumtoestanden – en daarmee het interferentiepatroon.

Missende schakel

Het artikel laat zien dat deze opstelling inderdaad geschikt is om zwaartekrachtgolven te meten. Maar dat is voor Mazumdar eigenlijk niet de hoofdzaak. "Een systeem waarin we een kwantumsuperpositie van een mesoscopisch groot object zoals de diamant kunnen krijgen, en dat gedurende een redelijk lange tijd, zou een enorme doorbraak zijn. Daarmee zouden we allerlei metingen kunnen doen. En een daarvan is te bepalen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is. Kwantumzwaartekracht is al bijna een eeuw de ‘missende schakel’ in de natuurkunde."

In een eerder artikel hebben Mazumdar, zijn jarenlange onderzoekspartner Sougato Bose en enkele andere collega’s voorgesteld om verstrengeling tussen twee mesoscopische objecten te gebruiken om uit te zoeken of zwaartekracht inderdaad een kwantumfenomeen is. "In ons nieuwe artikel beschrijven we hoe je zo’n kwantumsuperpositie van mesoscopische objecten kunt realiseren. Met twee van deze systemen kun je vervolgens verstrengeling onderzoeken." Maar tijdens hun onderzoek zagen ze dat een enkel systeem al gevoelig was voor zwaartekrachtgolven. Daarom is dat het speerpunt geworden.

"Het zal nog wel enkele tientallen jaren duren om de benodigde technologie te ontwikkelen", erkent Mazumdar. Er is een extreem hoog vacuüm nodig, van 10-15 Pascal, en de temperatuur van de opstelling moet zo laag mogelijk zijn, vlak bij het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). "De technologie om een hoog vacuüm of zo’n extreem lage temperatuur te krijgen bestaat al, maar wij hebben allebei tegelijk nodig. Bovendien moet het magneetveld zeer constant zijn. Zelfs de kleinste fluctuatie zou de kwantumsuperpositie doen instorten."

Vrije val

Maar als het lukt zo’n systeem te bouwen, zal de beloning groot zijn. "Je kunt het gebruiken voor allerlei metingen, bijvoorbeeld in ultra-lage energie natuurkunde of onderzoek naar kwantumcomputers." En het is dan natuurlijk ook mogelijk om te bepalen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is. De onderzoekers hebben net een nieuwe preprint online gezet, waarin ze beschrijven hoe dat experiment eruit moet zien. "Om er voor te zorgen dat de interactie tussen de verstrengelde objecten alleen via de onderlinge zwaartekracht loopt, moet je het experiment in vrije val doen", legt Mazumdar uit. Met zichtbaar enthousiasme beschrijft hij een ‘valtoren’ die bestaat uit een verticale tunnel van een kilometer, diep in een mijn om iedere verstoring van buiten te voorkomen. De twee verstrengelde objecten moeten een groot aantal keren door de schacht vallen om betrouwbare resultaten te krijgen. ‘Ik denk dat het mogelijk is tijdens mijn leven. En het resultaat zal eindelijk uitsluitsel geven over een van de grootste vragen in de natuurkunde."