Nederlandse doorbraak: Britse onderzoekers zetten grote stap in jacht op donkere materie en zwaartekrachtgolven met quantum-sensor

Hoe werkt deze quantum-gradiometer?

Het prototype, in feite een atoomgradiometer, maakt gebruik van ultrakoude strontium-87-atomen en een uiterst stabiele kloklaser . Het principe is elegant in zijn eenvoud:

1. Twee afzonderlijke wolken van extreem koude ⁸⁷Sr-atomen zweven op verschillende locaties in een vacuüm.
2. Beide wolken worden tegelijkertijd 'bevraagd' door één en dezelfde laserpuls. Deze puls maakt gebruik van de uiterst precieze 'klokovergang' van strontium, wat de interactie extreem nauwkeurig maakt .
3. De grootste plaaggeest is laserfaseruis, die miljarden keren sterker is dan het minieme signaal van een passerende zwaartekrachtgolf. Omdat beide interferometers dezelfde laser delen, is deze ruis voor beide identiek – een zogenaamde 'common mode' ruis .
4. Door het faseverschil tussen de twee atoomwolken te meten (een differentiële meting), valt deze gemeenschappelijke ruis perfect tegen elkaar weg. Een echt signaal van buitenaf – zoals een zwaartekrachtgolf die de ruimtetijd tussen de twee punten vervormt, of een oscillerend donkere-materieveld dat lokaal effect heeft – zal juist wél een netto verschil opleveren .

Deze gradiometer-opstelling is al jaren het theoretische fundament voor alle geplande lange-afstands atoominterferometers, maar was nog nooit onder realistische omstandigheden met zoveel ruis getest. Dat is nu dus wel gelukt .

De weg naar kilometerslange detectoren: AION, Fermilab en CERN

Deze prototype-demonstratie is geen opzichzelfstaand experiment. Het maakt deel uit van een groots opgezet programma: het AION-project (Atom Interferometer Observatory and Network). Dit Britse consortium, geleid door Imperial College London en bestaande uit zeven partnerinstituten, werkt volgens een helder viertrapsplan .

• Fase 1 – AION-10: De eerste echte detector is een verticale vacuümbuis van 10 meter die momenteel gebouwd wordt aan de Universiteit van Oxford. De ingebruikname wordt binnen twee tot drie jaar verwacht. Dit instrument dient als testbed voor alle technologie en zal zelf ook al interessante wetenschap opleveren .
• Fase 2 – AION-100: De volgende stap is een detector met een basislijn van 100 meter. Hiervoor worden momenteel geschikte ondergrondse locaties in het Verenigd Koninkrijk onderzocht. Als de financiering wordt veiliggesteld, kan dit apparaat vóór 2030 data gaan verzamelen .
• Fase 3 – AION-1000: Het ultieme doel op aarde is een kilometerlange ondergrondse detector. Deze zou maximale gevoeligheid bereiken in het frequentiegebied van een paar millihertz tot enkele hertz – een volledig blinde vlek tussen de huidige detectoren LIGO (hoge frequenties) en de toekomstige ruimtedetector LISA (lage frequenties) .
• Fase 4 – Netwerk: Uiteindelijk moeten meerdere van zulke detectoren wereldwijd aan elkaar gekoppeld worden, zodat men niet alleen signalen kan detecteren, maar ook de precieze bron aan de hemel kan lokaliseren.

Deze inspanning is stevig internationaal verankerd. In de Verenigde Staten bouwt Fermilab, nabij Chicago, aan een identiek soort detector: MAGIS-100. Dit is een 100 meter lange verticale interferometer in een oude toegangsschacht. Sinds januari 2024 is er een formeel samenwerkingsverband tussen Fermilab en de Britse instituten om technologie en data te delen . MAGIS-100 zal niet alleen jagen op ultralichte donkere materie, maar ook de macroscopische effecten van quantummechanica testen.

Ook bij CERN in Genève wordt serieus gekeken naar een rol. Verkennende studies, ondersteund door de Physics Beyond Colliders-studiegroep, hebben de geschiktheid van de CERN-infrastructuur voor een ~100 meter verticale interferometer onderzocht. Het onderbrengen van een AION-detector op deze iconische locatie is een reële mogelijkheid die actief wordt verkend .

Voor Nederland, met zijn sterke positie in precisietechnologie en fundamenteel onderzoek bij instituten zoals Nikhef en de kennis van ultrakoude atomen aan de UvA en TU/e, is deze ontwikkeling bijzonder relevant. De grensverleggende vacuümtechnologie, laserstabilisatie en trilvrije omgevingen die deze detectoren vereisen, liggen in het verlengde van de Nederlandse hightech expertise. Bovendien sluit de jacht op zwaartekrachtgolven in het middenfrequentiegebied naadloos aan bij het Europese Einstein Telescope-project, waar Nederland ook een actieve rol in speelt.

Het succesvol overbruggen van laserruis met een differentiële atoominterferometer is meer dan een technisch hoogstandje. Het is de geboorte van een compleet nieuw type observatorium dat ons een luisterend oor geeft voor de tot nu toe onhoorbare fluisteringen van het universum, van de donkerste materie tot de eerste oerknal.