Imperial College löser bullerproblem – ny kvantsensor öppnar fönster mot mörk materia

• Två separata atommoln: Två rumsligt åtskilda moln av extremt kalla ⁸⁷Sr (strontium-87) atomer prepareras och hålls svävande på olika platser .
• Ett enda laserinstrument: Båda atommolnen belyses med exakt samma laserpuls, som är låst till strontiumatomernas inbyggda "klockövergång" – en av de mest stabila referenserna som finns .
• Bruset är gemensamt: Det dominerande bruset kommer från små, slumpmässiga variationer i laserns fas. Eftersom samma laser når båda atommolnen, är detta fasbrus identiskt för båda interferometrarna .
• Signal separation: När experimentet mäter fasskillnaden mellan de två interferometrarna, subtraheras det gemensamma bruset bort. En verklig signal – som den från en passerande gravitationsvåg eller ett oscillerande fält av mörk materia – kommer däremot att ge ett olika fasavtryck på de två platserna och överlever därmed filtreringen .

Detta eleganta tillvägagångssätt är den fundamentala design som föreslagits för alla långbasiga atominterferometrar, men det hade aldrig validerats experimentellt under realistiska brusförhållanden förrän nu .

Från labb till global jakt: AION och framtiden

Genombrottet är en milstolpe inom Atom Interferometer Observatory and Network (AION)-samarbetet, som leds av Imperial College London tillsammans med sju partnerinstitutioner i Storbritannien . AION följer ett ambitiöst fyrastegsprogram för att successivt skala upp tekniken:

• Steg 1 — AION-10: En 10 meter hög vertikal detektor byggs just nu vid University of Oxford (Beecroft-byggnaden) och beräknas tas i drift inom 2–3 år. Den fungerar som en teknologisk testbädd .
• Steg 2 — AION-100: En 100 meter lång detektor. Lämpliga underjordiska platser i Storbritannien, och även vid partikelfysiklaboratoriet CERN, utvärderas för närvarande. Om finansiering säkras kan datainsamling börja före 2030 .
• Steg 3 — AION-1000: En kilometerlång underjordisk detektor som skulle ge maximal känslighet i frekvensbandet från några millihertz till några hertz – ett outforskat fönster mellan de befintliga LIGO- och LISA-experimenten .
• Steg 4 — Globalt nätverk: Flera detektorer kopplas samman för att kunna triangulera och lokalisera källorna till signalerna.

Atlantiska partnerskap

AION är inte ensamt. Det finns en stark transatlantisk koppling till USA genom systerprojektet MAGIS-100 vid Fermilab nära Chicago.

• Formellt samarbete (2024): I januari 2024 undertecknade Fermilab ett internationellt avtal med brittiska institutioner, däribland Imperial College London, University of Liverpool och University of Cambridge, för att samarbeta om MAGIS-100 . Denna 100 meter höga atominterferometer, som just nu byggs i ett gammalt schakt för neutrinostrålen, kommer att söka efter extremt lätt mörk materia och testa kvantsuperposition på makroskopiska skalor .
• CERN engagerar sig: Även CERN utforskar aktivt möjligheten att hysa en cirka 100 meter hög atominterferometer. Detta sker inom ramen för studiegruppen Physics Beyond Colliders (PBC) och ses som ett komplement till AION och MAGIS .

Sammantaget formar dessa ansträngningar en global infrastruktur för en helt ny typ av astronomi, där man inte längre "ser" universum genom ljus, utan genom materiavågor. Målet är att öppna ett nytt fönster mot kosmos och fånga signaler från universums första ögonblick.