Test van kwantumzwaartekracht is nu beter uitvoerbaar

Kort & bondig

Al tientallen jaren werken natuurkundige aan een theorie die alle vier de bekende krachten beschrijft. Drie ervan passen binnen de kwantumtheorie, maar dat lukt niet met de vierde, de zwaartekracht. Een groep natuurkundigen met onder meer Anupam Mazumdar van de RUG heeft onlangs een experiment voorgesteld waarmee is te bewijzen of zwaartekracht nu wel of geen kwantumfenomeen is. Hiervoor is het nodig zeer kleine diamantjes in vrije val te bestuderen, zodat de enige kracht tussen beide de zwaartekracht is. Maar tijdens het experiment trekt ook het Casimir-effect beide diamantjes naar elkaar toe. Berekeningen van derdejaars bachelorstudent natuurkunde Thomas van de Kamp laten zien dat een dunne plaat koper tussen de diamantjes dit Casimir-effect blokkeert, waardoor het experiment gemakkelijker is uit te voeren.

Valt zwaartekracht onder de wetten van kwantummechanica? Dat is al decennia een van de grote onbeantwoorde vragen in de natuurkunde. Samen met collega’s uit het Verenigd Koninkrijk heeft RUG-natuurkundige Anupam Mazumdar een experiment bedacht dat een antwoord kan brengen. Maar daarvoor is het nodig twee relatief grote verstrengelde kwantumsystemen in vrije val te bestuderen. In een nieuw artikel, met een derdejaars bachelor student als eerste auteur, presenteert Mazumdar een manier om de achtergrondruis van het experiment te verminderen, wat het beter uitvoerbaar maakt.

Drie van de vier fundamentele krachten in de natuurkunde zijn te beschrijven aan de hand van kwantumtheorie. Maar dat geldt niet voor de vierde, de zwaartekracht, die alleen via Einsteins algemene relativiteitstheorie is beschreven. Mazumdar en zijn collega’s hebben recent een experiment bedacht dat kan aantonen of zwaartekracht wel of niet een kwantumfenomeen is.

Superpositie

Een bekend gevolg van de kwantumtheorie is de zogeheten kwantumsuperpositie: onder bepaalde omstandigheden kunnen kwantumtoestanden tegelijkertijd twee verschillende waarden hebben. Neem bijvoorbeeld een elektron dat met laserlicht wordt beschenen. Volgens de kwantumtheorie kan het de foton-energie van licht wel of niet absorberen. Als het die energie absorbeert verandert dit de spin van het elektron, een magnetisch moment dat de waarde ‘op’ of ‘neer’ heeft. Kwantum superpositie betekent dat de spin zowel op als neer is.

Dit soort kwantumeffecten treedt op in zeer kleine objecten, zoals elektronen. Maar door een elektron te gebruiken in een speciaal ontworpen miniatuur-diamant is het mogelijk om superpositie te krijgen in een groter object. De diamant is klein genoeg om in superpositie te raken, maar groot genoeg om zwaartekracht te voelen. Hiervan maakt het experiment gebruik: het brengt twee van deze diamanten bij elkaar in vrije val, zodat de zwaartekracht van buiten is uitgeschakeld. De enige interactie tussen de diamantjes is de wederzijdse zwaartekracht.

Moeilijk

Dan komt er een ander kwantum fenomeen om de hoek kijken. Kwantumverstrengeling betekent dat van twee of meer deeltjes die vlak bij elkaar zijn ontstaan de kwantumtoestanden met elkaar verbonden zijn. In het geval van de diamantjes zal de ene dan een spin op zijn, en de andere spin neer. Het experiment is zo ontworpen dat is vast te stellen of er verstrengeling optreedt tussen de twee diamantjes in vrij val, als de zwaartekracht tussen beide de enige vorm van interactie is.

‘Maar het experiment is nogal moeilijk’, legt Mazumdar uit. Wanneer twee objecten zich heel dicht bij elkaar bevinden is er nog een mogelijk mechanisme voor interactie aanwezig, het Casimir effect. In een vacuüm kunnen twee objecten elkaar via dit effect aantrekken. ‘Dat effect is relatief groot, dus om de ruis die dat oplevert te beperken moeten we relatief grote diamanten gebruiken.’ Het was daarom al duidelijk dat het verminderen van die ruis belangrijk was om het experiment beter uitvoerbaar te maken. Mazumdar wilde daarom weten of het mogelijk was het Casimir effect af te schermen.

Lockdown

Dat probleem legde hij voor aan Thomas van de Kamp, een derdejaars bachelorstudent natuurkunde. ‘Hij had mij benaderd omdat kwantumzwaartekracht hem interesseerde. Daar wilde hij onderzoek aan doen voor zijn bachelor scriptie’, vertelt Mazumdar. Tijdens de lockdown in het voorjaar, toen het normale onderwijsprogramma stil lag, stortte Van de Kamp zich op het probleem. ‘En opvallend snel kwam hij met een oplossing, die nu in deze publicatie is beschreven.’

Die oplossing bestaat uit een geleidende koperen plaat van ongeveer een millimeter dik tussen de twee diamantjes. De plaat blokkeert de Casimir-potentiaal. Zonder de plaat zou deze potentiaal de diamantjes naar elkaar toe trekken, maar met de plaat gebeurt dat niet. In plaats daarvan worden beide diamantjes naar de plaat getrokken. Mazumdar: ‘Op die manier blokkeer je de interactie via het Casimir effect tussen de diamantjes, en daarmee verdwijnt er een heleboel ruis uit het experiment.’

Bijzonder

De berekeningen die Van de Kamp maakte laten zien dat de massa van de diamantjes daardoor twee orden van grootte kleiner kan zijn. ‘Dat lijkt misschien een kleine stap, maar het betekent dat het experiment veel minder moeilijk is.’ Bovendien vermindert het afschermen ook de eisen die worden gesteld aan andere parameters van het experiment, zoals de sterkte van het benodigde vacuüm. Mazumdar vertelt dat een verdere vereenvoudiging van het experiment, waarbij berekeningen van Van de Kamp ook een rol spelen, over enige tijd zal verschijnen. ‘Daarmee heeft hij via een onderzoeksproject van zes maanden bijdragen geleverd aan twee artikelen, wat heel bijzonder is.’

Referentie: T. W. van de Kamp, R. J. Marshman, S. Bose and A. Mazumdar, Quantum Gravity Witness via Entanglement of Masses: Casimir Screening. Physical Review A, 4 december 2020