פריצת דרך קוונטית: חוקרים מאימפריאל קולג' נטרלו רעשי לייזר בניסוי פורץ דרך לאיתור חומר אפל וגלי כבידה

התהליך מורכב מכמה שלבים מרכזיים:

1. עננים נפרדים: שני ענני אטומים מוחזקים במיקומים נפרדים ומוקרנים באותו פולס לייזר דרך מעברים אטומיים של פוטון בודד, תוך שימוש בתדר המעבר המדויק של 'שעון הסטרונציום' .
2. רעש משותף: רעש הפאזה של הלייזר, שהוא מקור הרעש הדומיננטי במדידות, משותף לשני האינטרפרומטרים מכיוון שהם חולקים את אותה קרן לייזר . רעש זה גדול בסדרי גודל מאותות זעירים של חומר אפל.
3. מדידה השוואתית: בניסוי מודדים את הפרש הפאזות בין שני האינטרפרומטרים. כל רעש משותף מתבטל אוטומטית. לעומת זאת, אות אמיתי, כמו גל כבידה חולף או שדה חומר אפל מתנודד, יגרום להסטת פאזה שונה בכל מיקום, שינוי שישרוד את ההשוואה ויזוהה .

כדי לחקות תנאים של גלאי עתידי באורך מאות מטרים, הצוות "הרעיל" את המדידה ברעש חיצוני. כל אינטרפרומטר כשלעצמו הפך לעיוור לחלוטין, אולם המתאם בין שניהם חשף את האות החבוי . זוהי התצורה הבסיסית שעליה מבוססות כל התוכניות לאינטרפרומטרים אטומיים ארוכי-בסיס, אך מעולם לא היא אומתה בניסוי בתנאי רעש ריאליסטיים – עד עכשיו.

תוכניות ההגדלה: מ-10 מטרים לקילומטר בודד

המחקר הוא חלק ממיזם AION (Atom Interferometer Observatory and Network), שיתוף פעולה בהובלת אימפריאל קולג' המאגד שבעה מוסדות מחקר מובילים בבריטניה .

מפת הדרכים של AION – תוכנית בת ארבעה שלבים

• שלב 1 – AION-10: גלאי אנכי באורך 10 מטרים הנמצא כעת בבנייה באוניברסיטת אוקספורד (בניין ביקרופט). תחילת הפעילות הצפויה היא תוך 2-3 שנים .
• שלב 2 – AION-100: גלאי בקו-בסיס של 100 מטרים. נבדקים אתרים תת-קרקעיים מתאימים בבריטניה. בכפוף למימון, מתוכננת תחילת איסוף נתונים לפני שנת 2030 .
• שלב 3 – AION-1000: גלאי תת-קרקעי באורך קילומטר אחד, שיספק רגישות שיא בתחום התדרים של אלפיות-הרץ עד הרצים בודדים – תחום שאינו נגיש לגלאי LIGO או גלאים קיימים אחרים .
• שלב 4 – רשת גלאים: חיבור מספר גלאים לרשת בינלאומית לאיכון מקורות האותות.

שיתופי פעולה בינלאומיים – ארה"ב ושווייץ

הפרויקט אינו פועל בחלל ריק. מדעני AION משתפים פעולה עם שני גופים מרכזיים:

• פרמילאב / MAGIS-100: בינואר 2024, חתמה מעבדת המאיץ הלאומית פרמי (Fermilab) בארה"ב על הסכם שיתוף פעולה בינלאומי עם מוסדות בריטיים (כולל אימפריאל קולג') לבניית MAGIS-100 – אינטרפרומטר אטומי באורך 100 מטרים במתקן המאיץ בפרמילאב . MAGIS-100 יחפש חלקיקי חומר אפל אולטרה-קלים, יבחן סופרפוזיציה קוונטית בקנה מידה עצום, וישתף טכנולוגיה ונתונים ישירות עם AION .
• CERN: מחקרים ראשוניים בתמיכת קבוצת המחקר "פיזיקה מעבר למאיצים" (Physics Beyond Colliders) בחנו את התאמת תשתיות CERN לאירוח גלאי אטומי אנכי של כ-100 מטרים . שיתוף פעולה זה עשוי להאיץ את הפיתוח הטכנולוגי .